[论文解读] A comparison of new calculations of 10be production in the earths polar atmosphere by cosmic rays with 10be concentration measurements in polar ice cores between 1939-2005 - a troubling lack of concordance paper #1

W. R. Webber, P. R. Higbie|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2010

Radioactivity and Radon Measurements被引用 7

一句话总结

本研究将基于物理的新计算方法所得的地球极地大气中10Be生成量（基于太阳对银河宇宙射线的调制效应及航天器测量的宇宙射线能谱）与1939年至2005年极地冰芯中的10Be浓度测量结果进行比较。研究发现相关性微弱（r ≈ 0.30），回归斜率仅为0.4–0.6而非预期的1.0，且冰芯数据中存在无法解释的峰值，表明10Be浓度变化并非仅由宇宙射线诱导的生成驱动，气候或区域过程的影响同样显著，其幅度与生成变化相当。

ABSTRACT

Using new calculations of 10Be production in the Earths atmosphere which are based on direct measurements of the 11-year solar modulation effects on galactic cosmic rays and spacecraft measurements of the cosmic ray energy spectrum, we have calculated the yearly average production of 10Be in the Earths atmosphere by galactic and solar cosmic rays since 1939. During the last six 11-year cycles the average amplitude of these production changes is 36%. These predictions are compared with measurements of 10Be concentration in polar ice cores in both the Northern and Southern hemisphere over the same time period. We find a large scatter between the predicted and measured yearly average data sets and a low cross correlation ~0.30. Also the normalized regression line slope between 10Be production changes and 10Be concentration changes is found to be only 0.4-0.6; much less than the value of 1.0 expected for a simple proportionality between these quantities, as is typically used for historical projections of the relationship between 10Be concentration and solar activity. The distribution of yearly averages in the 10Be concentration level in the data from the Dye-3 ice core in Greenland for the time period 1939-1985, contains a "spike" of high concentration one year averages which is not seen in the production calculations. These and other features suggest that galactic cosmic ray intensity changes which affect the production of 10Be in the Earths atmosphere are not the sole source of the 10Be concentration changes and confirm the importance of other effects, for example local and regional climatic effects, which could be of the same magnitude as the 10Be production changes.

研究动机与目标

• 评估基于新数据的10Be生成计算与1939年至2005年极地冰芯中观测到的10Be浓度之间的一致性。
• 评估银河宇宙射线调制是否足以解释冰芯中观测到的10Be浓度变化。
• 检验标准假设的合理性，即10Be浓度与10Be生成速率成正比。
• 识别模型生成的10Be生成量与实测浓度之间的差异，特别是Dye-3冰芯数据中未解释的峰值。
• 探究非宇宙射线因素（如区域或局部气候效应）在塑造10Be浓度记录中的作用。

提出的方法

• 利用11年周期内太阳调制效应对银河宇宙射线影响的直接测量数据，计算新的10Be生成速率。
• 基于航天器观测推导宇宙射线能量谱，以提高大气中电离和散裂反应建模的准确性。
• 计算1939年至2005年期间的年均10Be生成量，考虑太阳调制和宇宙射线强度的变化。
• 提取并逐年平均北半球与南半球冰芯（包括Dye-3）中测得的10Be浓度。
• 进行统计比较，包括生产量与浓度变化之间的互相关分析及归一化线性回归。
• 分析Dye-3冰芯数据中的异常现象，如1939–1985年间未在生成模型中重现的高浓度峰值，以探究非宇宙射线因素的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于新数据的10Be生成计算与1939年至2005年极地冰芯中观测到的10Be浓度在多大程度上一致？
• RQ2 为何10Be生成与浓度之间的观测相关性如此之低（r ≈ 0.30），而非在简单正比模型下预期的接近1.0？
• RQ3 Dye-3冰芯数据中1939–1985年间出现的高浓度峰值，为何在10Be生成计算中未被再现？其成因如何解释？
• RQ4 是否存在显著的非宇宙射线因素（如大气输送、沉降效率或区域气候变异性）对10Be浓度变化产生与生成变化幅度相当的影响？
• RQ5 为何10Be生成与浓度变化之间的回归斜率仅为0.4–0.6，远低于直接正比关系下预期的1.0？

主要发现

• 模型生成的10Be生成量与实测10Be浓度之间的互相关系数仅为约0.30，表明两者统计关系微弱。
• 10Be生成变化与10Be浓度变化之间归一化回归斜率为0.4–0.6，显著低于直接正比关系下预期的1.0。
• Dye-3冰芯在1939–1985年间出现的显著浓度峰值在10Be生成计算中未被再现，表明该异常可能具有非宇宙射线成因。
• 过去六个11年太阳周期中，10Be生成量变化的平均幅度为36%，表明生成速率存在显著波动。
• 观测到的差异表明，除宇宙射线诱导的10Be生成外，其他因素（如局部或区域气候效应）在10Be浓度变化中也起作用，其影响幅度与生成变化相当。
• 结果挑战了标准假设，即冰芯中10Be浓度是太阳调制银河宇宙射线的可靠、直接代用指标。