[论文解读] GCR intensity during the sunspot maximum phase and the inversion of the heliospheric magnetic field

М. Б. Крайнев, G. A. Bazilevskaya+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2015

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 4被引用 3

一句话总结

本研究分析了太阳活动第24周期极大期的银河系宇宙射线（GCR）强度、日球层磁场（HMF）极性以及黑子活动，揭示了HMF反转期的延长和GCR行为的异常。通过HMF极性分布的分类方法，发现第24周期的HMF反转相是历史上持续时间最长的，GCR强度表现出延迟且异常的双缺口结构和强烈的能量滞后效应，表明当前太阳周期极大期存在持续的调制效应。

ABSTRACT

The maximum phase of the solar cycle is characterized by several interesting features in the solar activity, heliospheric characteristics and the galactic cosmic ray (GCR) intensity. Recently the maximum phase of the current solar cycle (SC) 24, in many relations anomalous when compared with solar cycles of the second half of the 20-th century, came to the end. The corresponding phase in the GCR intensity cycle is also in progress. In this paper we study different aspects of the sunspot, heliospheric and GCR behavior around this phase. Our main conclusions are as follows: 1) The maximum phase of the sunspot SC 24 ended in 06.2014, the development of the sunspot cycle being similar to those of SC 14, 15 (the Glaisberg minimum). The maximum phase of SC 24 in the GCR intensity is still in progress. 2) The inversion of the heliospheric magnetic field consists of three stages, characterized by the appearance of the global heliospheric current sheet (HCS), connecting all longitudes. In two transition dipole stages beside the global HCS there are additional local HCSs, while the inversion stage lies between two transition dipole ones and there is no global HCS in this stage. The inversion stage of the current SC 24 is the longest when compared with those for SC 21-23. The second transition dipole stage and hence the whole inversion period of the heliospheric magnetic field in SC 24 provisionally ended in 08.2014. 3) The behavior of the GCR intensity in the period of the sunspot maximum phase and the inversion of the heliospheric magnetic fields for SC 21-23 demonstrates all the characteristic features for this period: the two-gap structure corresponding to two-peak structure in the sunspot activity, and the energy hysteresis. In the current SC 24 the GCR intensity shows rather unusual features and we should wait for one or even two years to see the whole picture.

研究动机与目标

• 调查太阳活动第24周期极大期与此前周期（SC 20–23）相比的异常行为，特别是黑子区域和GCR强度的表现。
• 通过提出的HMF极性分布分类方法，阐明日球层磁场（HMF）极性反转的物理意义。
• 研究HMF极性演化、黑子活动与GCR强度调制在高太阳活动阶段的相关性。
• 评估第24周期中观测到的GCR强度模式（特别是延迟的双缺口结构和能量滞后效应）是否偏离了早期周期中的既定行为模式。

提出的方法

• 利用格林尼治-美国空军（Greenwich-USAF）和1870年以前重建数据的卡林顿旋转平均黑子区域数据（Sss(t)）作为太阳活动代理指标。
• 采用威尔科克斯太阳天文台提供的日球层磁场（HMF）参数，包括准倾斜角（αqt）、高纬度视 line-of-sight 分量（Bls^pol）以及球谐系数。
• 利用OMNI数据库提供的HMF强度（Bhmf）数据，评估其对GCR的调制效应。
• 使用穆尔曼斯克和莫斯科的平流层气球监测（RBM）数据，作为中间能量（Jint）和低能（Jlow）GCR强度的代理（Teff ≈ 3 GeV 和数百MeV）。
• 结合莫斯科中子监测仪数据，作为高能GCR强度（Jhigh，Teff ≈ 15 GeV）的代理。
• 将HMF极性分布划分为三个阶段：'过渡偶极子'（A>0 且 A<0）和'反转'（无全球HCS），并使用αqt定义各阶段之间的转换。

实验结果

研究问题

• RQ1 与以往周期相比，太阳活动第24周期极大期在黑子区域和GCR强度行为方面有何不同？
• RQ2 与SC 21–23相比，第24周期HMF极性反转的持续时间和结构如何？其与日球层电流 sheet（HCS）构型的关系是什么？
• RQ3 第24周期中GCR强度的双缺口结构和能量滞后效应在多大程度上偏离了早期偶数周期和奇数周期的既定模式？
• RQ4 HMF极性转换的时间和形态与极大期的Gnevyshev缺口及黑子活动峰值之间存在何种关联？
• RQ5 第24周期中首次GCR强度缺口的延迟出现，对HMF强度演化和宇宙射线调制过程意味着什么？

主要发现

• 太阳活动第24周期黑子区域的极大期于2014年6月结束，其发展过程与SC 14和SC 15（格莱斯堡极小期）相似。
• 第24周期的HMF反转是历史上持续时间最长的，'反转'阶段（无全球HCS）的持续时间显著长于SC 21–23。
• 第24周期HMF极性反转的第二个'过渡偶极子'阶段于2014年8月结束，但由于北半球高纬度SMF强度较低，预计2015年仍会有额外的卡林顿旋转保持该构型。
• 第24周期的GCR强度表现出延迟的首次缺口（2012年2月）且高能粒子无明显第二次缺口，表明调制行为异常。
• 第24周期的能量滞后回路较宽，与偶数周期的预期一致，但由于极大期仍在持续，完整结构尚未完全显现。
• 第24周期的HMF'反转'期略微早于黑子区域和HMF强度的Gnevyshev缺口，与早期周期中观察到的既定模式一致。