[论文解读] The two-step Forbush decrease: a tale of two substructures modulating galactic cosmic rays within coronal mass ejections

Miho Janvier, P. Démoulin+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2021

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 57被引用 19

一句话总结

本研究利用17年ACE探测器的原位ICME数据与中子监测站观测，采用叠加时间点分析法，探究日球层中层质日冕物质抛射（ICMEs）在驱动银河宇宙射线（GCR）强度下降（Forbush decreases, FDs）中的作用。研究发现，仅靠磁性喷出物（MEs）——即使无前导鞘层——也能引发显著的双峰型FDs，且磁场强度是主导驱动因素，而非磁场波动。恢复阶段表现出各向异性的GCR水平，与日球层通量梯度相关。

ABSTRACT

Interplanetary Coronal Mass Ejections (ICMEs) are known to modify the structure of the solar wind as well as interact with the space environment of planetary systems. Their large magnetic structures have been shown to interact with galactic cosmic rays, leading to the Forbush decrease (FD) phenomenon. We revisit in the present article the 17 years of Advanced Composition Explorer spacecraft ICME detection along with two neutron monitors (McMurdo and Oulu) with a superposed epoch analysis to further analyze the role of the magnetic ejecta in driving FDs. We investigate in the following the role of the sheath and the magnetic ejecta in driving FDs, and we further show that for ICMEs without a sheath, a magnetic ejecta only is able to drive significant FDs of comparable intensities. Furthermore, a comparison of samples with and without a sheath with similar speed profiles enable us to show that the magnetic field intensity, rather than its fluctuations, is the main driver for the FD. Finally, the recovery phase of the FD for isolated magnetic ejecta shows an anisotropy in the level of the GCRs. We relate this finding at 1 au to the gradient of the GCR flux found at different heliospheric distances from several interplanetary missions.

研究动机与目标

• 确定鞘层与磁性喷出物在驱动银河宇宙射线（GCR）强度下降（FDs）中的相对作用。
• 评估磁性喷出物（MEs）是否可在无鞘层存在的情况下引发显著的FDs。
• 分离磁场强度与磁场波动对FD幅度的影响。
• 研究孤立MEs事件后GCR恢复阶段的各向异性，并将其与日球层梯度关联。

提出的方法

• 对17年Advanced Composition Explorer（ACE）的原位ICME数据应用叠加时间点分析（SEA）。
• 利用McMurdo与Oulu的中子监测站数据追踪GCR强度变化。
• 采用多边界SEA，将时间轴标准化至ME的起始与结束时间，以实现事件间的统一比较。
• 对比含鞘层与无鞘层的ICME样本，且在ME中保持平均磁场强度一致。
• 分析等离子体参数（速度、温度、密度）与磁场波动（rmsB），以分离FDs的驱动因素。
• 将FD恢复阶段的各向异性与多个日间空间任务获取的GCR通量梯度数据进行相关分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 磁性喷出物（MEs）是否可在无前导鞘层的情况下引发显著的Forbush下降（FDs）？
• RQ2 在ICMEs中，磁场强度还是磁场波动是FD幅度的主要驱动因素？
• RQ3 当平均B保持一致时，引发FDs的ICMEs与未引发FDs的ICMEs在等离子体参数与磁场分布上存在何种差异？
• RQ4 为何孤立MEs事件后的FDs恢复阶段表现出各向异性的GCR水平？
• RQ5 观测到的GCR各向异性如何与不同距离处测量的日球层通量梯度相关联？

主要发现

• 仅靠磁性喷出物（MEs）即可引发与含鞘层事件相当强度的显著Forbush下降（FDs），挑战了‘鞘层对强FDs至关重要’的假设。
• 磁场强度而非磁场波动（rmsB）是FD幅度的主导驱动因素；相同平均B水平下，不同磁场分布导致不同的FD振幅。
• 引发FDs的ICMEs在ME中表现出更对称的磁场分布，而未引发FDs的事件则呈现非对称、单调递增的分布，即使平均B值匹配。
• 引发FDs的MEs具有更高的速度，表明其到达1 AU的传输时间更短，形成‘空心’通量绳，GCR密度低于速度较慢的‘充实’MEs。
• 孤立MEs事件后FDs的恢复阶段表现出各向异性的GCR水平，且与多个日间空间任务观测到的日球层GCR通量梯度显著相关。
• 本研究确立了MEs的整体磁场构型——特别是磁场强度与传输时间——决定了FD强度，而局部湍流仅起次要作用。