[论文解读] Application of a full chain analysis using neutron monitor data for space weather studies

Alexander Mishev, Ilya Usoskin|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2016

Nuclear Physics and Applications被引用 5

一句话总结

本文提出了一种全链路数值模型，利用地基中子监测仪（NM）数据评估地磁极光增强事件（GLEs）期间太阳高能粒子（SEP）对飞行机组辐射暴露的影响。通过从NM响应中建模SEP能谱和角度特性，并应用新计算的产额函数，该模型准确计算了商业飞行高度的有效剂量率，与先前对2006年12月GLE 70事件的估算结果高度一致，峰值剂量率可达40–50 μSv/h。

ABSTRACT

An important topic in the field of space weather is the precise assessment of the contribution of galactic cosmic rays and solar energetic particles on air crew exposure, specifically during eruptive events on the Sun. Here we present a model, a full chain analysis based on ground based measurements of cosmic rays with neutron monitors, subsequent derivation of particle spectral and angular characteristics and computation of dose rate. The model uses method for ground level enhancement analysis and newly numerically computed yield functions for conversion of secondary particle fluence to effective dose and/or the ambient dose equivalent. The precise an adequate information about the solar energetic particle spectra (SEPs) is the basis of the model. Since SEPs possess an essential isotropic part, specifically during the event onset, the angular characteristics should be also derived with good precision. This can be achieved using neutron monitor data during a special class of SEP events the ground level enhancements (GLEs). On the basis of the method representing a sequence of consecutive steps: computation of the NM asymptotic cones, NM rigidity cut-off and application of convenient optimization procedure, we derive the rigidity spectra and anisotropy characteristics of GLE particles. For the computation we use newly computed yield function of the standard sea-level 6NM64 neutron monitor for primary proton and alpha CR nuclei as well as 6NM64 yield function at altitudes ranging from the sea level up to 5000 m above the sea level. We derive the SEP spectra and pitch angle distributions in their dynamical development throughout the event. Subsequently on the basis of the derived spectra and angular characteristics and previously computed yield functions we calculate the effective dose and/or ambient dose equivalent during the GLE. Several examples are shown.

研究动机与目标

• 提高在太阳高能粒子（SEP）事件，特别是地磁极光增强事件（GLEs）期间，飞行机组辐射暴露评估的精度。
• 开发一种全面的、基于物理的模型，将地面中子监测仪测量数据与飞行高度的有效剂量率联系起来。
• 在主要GLE事件期间，考虑时间相关的SEP能谱硬化/软化及方向各向异性。
• 利用独立的剂量估算值，将模型与已知GLE事件（特别是2006年12月13日的GLE 70）进行验证。
• 通过预计算的NM渐近锥数据，实现实时辐射暴露近实时预报，支持重大空间天气事件的运行应用。

提出的方法

• 该模型利用全球多个站点的中子监测仪（NM）数据，推断GLE事件期间SEP的刚度谱和投掷角分布。
• 它对SEP通过地球磁层和大气层的传播过程进行详细模拟，包括计算每个NM的接受渐近锥和刚度截止值（Rc）。
• 该方法采用数值优化程序，从观测到的NM计数率中推导出SEP的能谱和角度特性。
• 新计算的产额函数将6NM64中子监测仪测得的次级粒子注量转换为不同高度（从海平面至5,000 m）的有效剂量和环境剂量当量。
• 该模型将时间分辨的SEP能谱和角度分布与高度和地理位置相关的产额函数相结合，计算35,000英尺（10,668 m）处的剂量率。
• 预计算的NM渐近轨迹数据库支持对NM数据进行准实时反演，以推导SEP特性，从而支持近实时预报应用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在地磁极光增强事件期间，中子监测仪数据在多大程度上可准确重构太阳高能粒子的刚度谱和角度分布？
• RQ2 在主要GLE事件期间，SEP对商业飞行高度有效剂量率的贡献是多少，其随时间如何变化？
• RQ3 在GLE事件的初发、主相和末期阶段，SEP的能谱硬化和角度展宽如何演变？
• RQ4 该模型计算的剂量率与已发表的已知GLE事件估算值在多大程度上一致？
• RQ5 该模型是否可用于主要太阳质子事件期间的近实时辐射暴露预报？

主要发现

• 在2006年12月13日GLE 70事件的初始阶段，该模型在刚度截止值≤1 GV的区域计算出的有效剂量率为40–50 μSv/h，与先前评估结果一致。
• SEP能谱初始呈硬化状态且高度各向异性，表现出类似束流的通量特征，事件初发阶段具有强烈的定向偏好。
• 随着时间推移，能谱逐渐软化，在事件末期阶段转变为纯幂律谱。
• 在事件过程中，角度分布显著展宽，表明SEP在磁层中扩散导致各向异性减弱。
• 该模型计算的剂量率与先前估算值高度一致，验证了其准确性和可靠性。
• 该模型可利用预计算的NM渐近锥数据实现实时近似预报，支持运行中的空间天气应用。