[论文解读] Does Local Structure Within Shock-sheath and Magnetic Cloud Affect Cosmic Ray Decrease?

Anil Raghav, Zubair Shaikh+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2016

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 27被引用 13

一句话总结

本研究重新評估了日球層冕狀日珥（ICMEs）激波層和磁雲（MC）中局部磁結構在驅動費伯施下降（FDs）中的作用。分析18起強烈FD事件（≥8%）後發現，局部湍流與內部扭曲——不僅僅是廣闊區域——顯著塑造了多步驟FD曲線，挑戰了傳統的兩步驟模型，並主張基於步驟數量與結構特異貢獻的改良分類方法。

ABSTRACT

The sudden short duration decrease in cosmic ray flux is known as Forbush decrease which is mainly caused by interplanetary disturbances. Generally accepted view is that the first step of Forbush decrease is due to shock sheath and second step is due to Magnetic Cloud (MC) of Interplanetary Coronal Mass Ejection (ICME). However, there are few questions which needs detail investigation. (i) Does the complete (or part of) ICME shock or MC contribute in cosmic ray decrease? (ii) Is there any internal structure associated with the ICMEs shock/MC which precisely contribute in decrease? To address these questions we have studied a total of 18 large ($>=8 \%$) Forbush decrease events and associated ICMEs. Majority of events shows multi-steps Forbush decrease profile. This leads into re-classification of Forbush decrease events depending upon the number of steps observed in their respective profile. The present study clearly indicates that not only broad regions (shock-sheath and MC) contribute to Forbush decrease but also localized structures within shock-sheath and MC have very much significant importance in Forbush decrease profile.

研究动机与目标

• 探討ICME激波層與磁雲（MC）內的局部內部結構是否影響費伯施下降（FD）曲線的形狀。
• 挑戰傳統的兩步驟FD模型，該模型僅將第一與第二步驟歸因於激波層與MC區域。
• 基於觀察到的步驟數量及其物理來源，提出FD事件的新分類方案。
• 透過考慮小尺度磁結構，改進對ICME參數與宇宙射線調制之間關係的理解。

提出的方法

• 使用1998–2011年間51個全球觀測站的5分鐘時間解析度地磁中子監測器（NM）數據，分析18起大型費伯施下降事件（≥8%）。
• 將FD曲線與ACE與CDAWeb資料庫提供的原位太陽風與行星際磁場（IMF）測量結果相關聯。
• 根據flux下降曲線中的步驟數量對FD事件進行分類，並與激波層與MC的穿越階段對應。
• 研究激波層與MC穿越期間FD曲線的時間特徵，包括步驟的時序、持續時間與幅度。
• 透過分析IMF波動與宇宙射線通量變化，識別局部湍流與磁場扭曲的跡象。
• 基於步驟數量與激波層與MC的結構貢獻，提出修正的FD事件分類框架。

实验结果

研究问题

• RQ1 ICME激波層與磁雲（MC）中的局部結構是否顯著影響費伯施下降（FD）曲線的形狀與步驟數量？
• RQ2 ICME內的小尺度磁場結構在宇宙射線調制中的貢獻程度為何，是否超越廣闊的激波層與MC區域？
• RQ3 傳統的兩步驟FD模型是否仍可保留，還是不足以解釋ICME事件中觀察到的多步驟FD曲線？
• RQ4 在MC穿越期間，宇宙射線通量恢復階段的物理機制為何，特別是當通量幾乎保持不變時？
• RQ5 ICME內IMF湍流與磁場有序性的變化如何影響FD的幅度與時間演化？

主要发现

• 多步驟費伯施下降曲線在穿越激波層與MC區域期間經常被觀察到，表明局部結構——不僅廣闊區域——驅動了下降過程。
• 激波層穿越期間短時、急劇的宇宙射線通量下降與局部湍流區域有關，而漸進式下降則暗示廣泛的湍流。
• MC穿越期間宇宙射線通量的恢復歸因於總行星際磁場（IMF）強度的下降，促進宇宙射線向MC內擴散。
• 幾乎所有事件在MC內均出現恢復，表明MC的有序磁場最初抑制宇宙射線擴散，但IMF強度下降後允許恢復。
• MC穿越期間出現多個步驟，可能源於MC原本有序磁結構中的局部扭曲。
• 傳統的兩步驟模型不足以解釋多步驟FD，因此需要基於步驟數量與結構來源的修正分類方案。