[论文解读] Atmospheric Variations as observed by IceCube

Serap Tilav, P. Desiati+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2010

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 7被引用 38

一句话总结

本研究表明，冰立方（IceCube）在南极点的深冰μ子探测器和地表IceTop探测器的计数率强烈受平流层温度变化调制，其中高能μ子率与中层平流层（30–60 hPa）温度呈负相关，地表率与低层平流层（40–80 hPa）温度呈负相关。关键发现是，IceCube可作为大气动力学的天然探测器，尤其能反映南极臭氧洞和极地涡旋行为，由于π介子/K介子衰变与相互作用概率的变化，观测到的率调制幅度分别为±10%和±5%。

ABSTRACT

We have measured the correlation of rates in IceCube with long and short term variations in the South Pole atmosphere. The yearly temperature variation in the middle stratosphere (30-60 hPa) is highly correlated with the high energy muon rate observed deep in the ice, and causes a +/-10% seasonal modulation in the event rate. The counting rates of the surface detectors, which are due to secondary particles of relatively low energy (muons, electrons and photons), have a negative correlation with temperatures in the lower layers of the stratosphere (40-80 hPa), and are modulated at a level of +/-5%. The region of the atmosphere between pressure levels 20-120 hPa, where the first cosmic ray interactions occur and the produced pions/kaons interact or decay to muons, is the Antarctic ozone layer. The anticorrelation between surface and deep ice trigger rates reflects the properties of pion/kaon decay and interaction as the density of the stratospheric ozone layer changes. Therefore, IceCube closely probes the ozone hole dynamics, and the temporal behavior of the stratospheric temperatures.

研究动机与目标

• 研究南极点长期和短期大气温度变化与IceCube的μ子和地表探测器计数率之间的相关性。
• 理解平流层密度和温度变化如何影响宇宙射线相互作用与衰变过程，特别是π介子和K介子的行为。
• 利用IceCube的高统计量数据探测南极极地涡旋和臭氧洞的动力学，特别是在极端事件期间。
• 量化气压和热效应对探测器计数率的影响，并校正气压变化以隔离真实的气象信号。
• 建立IceCube作为连续、原位的平流层条件监测器，特别是在突然平流层变暖等稀有事件期间。

提出的方法

• 利用NOAA POES和探空仪发射数据，测量IceCube深冰μ子率（InIce_SMT）与20–120 hPa平流层温度剖面之间的时序相关性。
• 分析IceTop地表DOM计数率（IceTop_SMT），并使用气压系数β = –0.42 %/hPa校正IceTop DOMs的气压效应，以及β = –0.77 %/hPa校正空气簇射率的气压效应。
• 计算有效温度T_eff，作为20–120 hPa各气压层平流层温度的加权平均，以提高与探测器计数率的相关性。
• 使用有效温度T_eff建模π介子/K介子衰变与相互作用的概率，将探测器计数率与大气密度和成分联系起来。
• 将IceCubeμ子率与2002年Sudden Stratospheric Warming（SSW）和2007–2008年极地涡旋动力学等异常事件期间的平流层温度异常进行比较。
• 应用时间序列分析检测异常率变化（如2008年8月6日3%的增加），并将其与低层和中层平流层的突然温度变化相关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 南极点季节性和短期平流层温度变化如何调制深IceCube探测器中的高能μ子率？
• RQ2 地表IceTop DOM计数率与40–80 hPa平流层温度之间存在何种关系？气压如何影响这一相关性？
• RQ3 20–120 hPa臭氧层中大气密度的变化在多大程度上影响π介子/K介子衰变与相互作用的平衡？这种影响如何反映在IceCube的触发率中？
• RQ4 IceCube能否通过μ子和空气簇射率的变化检测并追踪极端大气事件（如突然平流层变暖和极地涡旋破坏）？
• RQ5 从多个气压层推导出的有效温度T_eff，其预测IceCube和IceTop计数率观测调制的能力如何？

主要发现

• 深IceCube探测器中的高能μ子率表现出±10%的季节性调制，于1月下旬达到峰值，此时中层平流层（30–60 hPa）温度最高且最稀薄，有利于π介子衰变。
• 地表IceTop DOM计数率与40–80 hPa层温度呈±5%的负相关，最低值出现在7月下旬，此时平流层密度最高，π介子相互作用占主导。
• 有效温度T_eff（作为20–120 hPa各层温度的加权平均）与IceCube μ子率和IceTop DOM率均表现出强相关性，相关系数分别为–0.975和–0.969。
• 在2002年突然平流层变暖事件中，IceCube的前身AMANDA-II探测到μ子率增加了3%，与40–50 hPa层温度在数天内上升40–60 K的现象相关。
• 2008年8月6日，IceCube μ子率出现3%的异常增加，与40–80 hPa层突然的平流层温度异常直接相关，证实了IceCube对短 timescale 大气动力学的敏感性。
• IceTop DOM的气压系数测定为–0.42 %/hPa，空气簇射率的气压系数为–0.77 %/hPa，证实地表率受气压调制强烈，需进行校正以实现精确的大气监测。