[论文解读] Cosmic Ray Modulation studied with HelMod Monte Carlo tool and comparison with Ulysses Fast Scan Data during consecutive Solar Minima

P. Bobík, G. Boella+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2013

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 3

一句话总结

本研究使用HelMod 2D蒙特卡洛代码模拟2006–2009年连续太阳活动极小期的宇宙射线调制过程，引入基于中子监测站获得的时间依赖性扩散参数，并考虑磁漂移效应。该模型成功再现了太阳系中质子与电子的纬向强度梯度，表明粒子电荷及日球层磁场极性（qA > 0 与 qA < 0）控制了宇宙射线向极区的非对称渗透。

ABSTRACT

The Cosmic Rays propagation was studied in details using the HelMod-2D Monte Carlo code, that includes a general description of the diffusion tensor, and polar magnetic-field. The Numerical Approach used in this work is based on a set of Stochastic Differential Equations fully equivalent to the well know Parker Equation for the transport of Cosmic Rays. In our approach the Diffusion tensor in the frame of the magnetic field turbolence does not depends explicitly by Solar Latitude but varies with time using a diffusion parameter obtained by Neutron Monitors. The parameters of the Model were tuned using data during the solar Cycle 23 and Ulysses latitudinal Fast Scan in 1995. The actual parametrization is able to well reproduce the observed latitudinal gradient of protons and the southward shift of the minimum of latitudinal intensity. The description of the model is also available online at website www.helmod.org. The model was then applied on Pamela/Ulysses proton intensity from 2006 up to 2009. The model during this 4-year continous period agree well with both PAMELA (at 1 AU) and Ulysses data (at various solar distance and solar latitude). The agreement improves when considering the ratio between this data. Studies done also with particles with different charge (e.g. electrons) allow us to explain the presence (or not) of protons and electrons latitudinal gradients observed by Ulysses during the Latitudinal Fast Scan in 1995 and 2007.

研究动机与目标

• 将HelMod蒙特卡洛模型扩展至黄道面以外区域，以研究太阳活动极小期的宇宙射线调制过程。
• 利用2006–2009年尤利西斯号快速扫描数据及1 AU处PAMELA测量数据对模型进行验证。
• 探究磁漂移与日球层磁场极性在塑造纬向宇宙射线强度梯度中的作用。
• 确定模型是否能够再现不同日球层磁场极性相位下质子与电子强度梯度的观测不对称性。
• 评估粒子电荷与刚度对太阳系纬向宇宙射线分布的影响。

提出的方法

• 通过HelMod蒙特卡洛代码求解帕克输运方程，采用随机微分方程方法。
• 引入基于中子监测站数据获得的时间依赖性扩散系数，其径向依赖关系为∝ r，刚度依赖关系为∝ P/1 GV。
• 包含磁漂移速度分量（径向、纬向及中性面漂移），其大小按日球层电流片倾斜角进行缩放。
• 采用二维（径向与余纬）日球层几何结构，边界条件设于100 AU，向内积分至地球轨道。
• 在尤利西斯号轨道上模拟1.7 GV刚度下质子与电子的强度，归一化至地球轨道值，并在南极点进行平均。
• 将模型输出与尤利西斯号KET数据及PAMELA数据进行对比，重点关注相对强度比值以减小系统误差。

实验结果

研究问题

• RQ1 HelMod蒙特卡洛模型在多大程度上再现了尤利西斯号在2006–2009年太阳活动极小期观测到的宇宙射线质子纬向梯度？
• RQ2 磁漂移在塑造太阳系纬向宇宙射线非对称分布中起到何种作用？
• RQ3 粒子电荷与日球层磁场极性乘积（qA）的符号如何影响宇宙射线向极区的渗透？
• RQ4 模型能否再现相同刚度下质子与电子纬向强度梯度的反转现象？
• RQ5 在2007年快速扫描期间，模型在日球层磁场极性相反的相位（A > 0 与 A < 0）下的表现如何与观测数据对比？

主要发现

• HelMod模型成功再现了2006–2009年太阳活动极小期观测到的质子强度纬向梯度，与尤利西斯号及PAMELA数据高度一致。
• 对于1.7 GV刚度的质子，当不考虑漂移效应时，模型预测无显著纬向梯度；但当引入漂移效应后，显著梯度出现。
• 当考虑粒子电荷与日球层磁场极性（qA > 0）时，模型预测宇宙射线在极区的渗透增强，与2007年快速扫描期间的观测结果一致。
• 对于相同刚度的电子，模型预测其梯度方向与质子相反，证实了尤利西斯号观测到的电荷依赖性调制效应。
• 模型表明，当qA > 0时，宇宙射线更易进入极区；而当qA < 0时，宇宙射线在纬向分布更均匀。
• 尤利西斯号与地球轨道强度之比被模型良好再现，最近接近时归一化值接近于1，证实了对系统误差的鲁棒性。