[论文解读] GeoMag and HelMod webmodels version for magnetosphere and heliosphere transport of cosmic rays

P. Bobík, M. Boschini+11 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2013

Ionosphere and magnetosphere dynamics被引用 4

一句话总结

本文提出了基于网络的模型GeoMag和HelMod，用于模拟银河宇宙射线在日球层和地球磁层中的输运。HelMod采用蒙特卡洛方法求解帕克输运方程，模拟1990–2007年在1 AU处质子通量的太阳调制；GeoMag则利用齐加诺科1996/2005年外部磁场模型和IGRF-11年内部磁场模型，通过反向追踪垂直入射粒子，计算刚度截止值和轨迹特征。主要贡献是提供一个公开可访问的网络界面，使用户能够以量化精度估算宇宙射线刚度截止值和调制谱（在高纬度地区垂直近似误差最高可达25%）。

ABSTRACT

We implemented a website to deal with main effects on Cosmic Ray access to the Earth, i.e. the Solar Modulation and the Geomagnetic Field effect. In helmod.org the end user can easily access a web interface to results catalog of the HelMod Monte Carlo Code. This Model uses a Monte Carlo Approach to solves the Parker Transport Equation, obtaining a modulated proton flux for a period (monthly average) between January 1990 and december 2007. geomagsphere.org is instead based on GeoMag Backtracing Code, that solves the Lorentz equation with a Runge-Kutta method of 6th order, and, reversing charge sign and velocity, reconstruct particle trajectories in the Earth Magnetosphere back in time. We use last models of internal (IGRF-11) and external (Tsyganenko 1996 -T96- and 2005 -T05-) field components valid up to 2015. Particles are backtraced to the outer (magnetopause) or inner boundary to separate Primary (allowed trajectory) from Secondary (forbidden) Cosmic Rays. This code has been used both for reproducing known effects as East-West effect and rigidity cutoff calculations. In geomagsphere.org the user can choose the external field model from Tsyganenko (T96 or T05) and obtain for a fixed position and date from 1st Jan. 1968 (T96) and 1st Jan. 1995 (T05) respectively till 31$^{st}$ Dec 2012, the vertical rigidity cutoff estimation obtained with the backtracing technique with a rigidity step of 0.1 GV. For a more precise calculation (0.01 GV), requiring more CPU time, results are sent to the user by email (mail model)

研究动机与目标

• 提供可访问的、基于网络的工具，用于模拟宇宙射线在日球层和地球磁层中的输运。
• 量化在宇宙射线刚度截止值计算中，垂直近似引入的误差。
• 利用更新的地磁场所模型，提供精确的时间和位置依赖的宇宙射线刚度截止值估计。
• 使研究人员能够通过HelMod模型访问1 AU处长期、月平均的质子能谱。
• 通过区分初级（允许）与次级（禁止）宇宙射线轨迹，支持地基中子监测器数据的解释。

提出的方法

• HelMod采用蒙特卡洛方法求解帕克输运方程，模拟日球层中质子通量的调制。
• GeoMag采用六阶龙格-库塔方法求解洛伦兹力方程的反向形式，从地球磁层反向追踪粒子轨迹至磁层顶。
• 模型整合了最新的地磁场模型：IGRF-11用于内部磁场，Tsyganenko 1996/2005用于外部磁场，有效至2015年。
• 用户可选择特定地理位置、日期及外部磁场模型（T96或T05），以0.1 GV或0.01 GV的分辨率计算垂直刚度截止值。
• 对于高精度0.01 GV结果，由于计算资源需求较高，系统通过邮件发送结果（邮件模型）。
• 模型通过已知效应（如东-西效应和刚度截止值）验证结果，并对比垂直入射与多方向入射粒子方法。

实验结果

研究问题

• RQ1 与全空间多方向入射方法相比，垂直近似在估算宇宙射线刚度截止值时的准确性如何？
• RQ2 不同外部地磁场模型（齐加诺科1996年与2005年）对地球表面刚度截止值估算的影响是什么？
• RQ3 在使用垂直入射与多方向入射粒子模拟时，宇宙射线强度在不同纬度上的变化如何？
• RQ4 在1990–2007年期间，太阳调制对1 AU处质子通量的影响程度如何？其随能量和时间的变化特征是什么？
• RQ5 GeoMag反向追踪模型能否基于磁层几何结构可靠地区分初级与次级宇宙射线轨迹？

主要发现

• 在高纬度地区，垂直近似使宇宙射线强度高估达25%，在Lomnicky Stit、Newark和Oulu分别产生8%、12%和9%的误差，相较于多方向模拟结果。
• 在Lomnicky Stit，来自所有方向的总质子强度为4549个质子/(m²·s·2π)，而垂直近似结果为4943，高估9%。
• HelMod模型提供了1990年1月1日至2007年12月31日期间，1 AU处月平均质子能谱，覆盖完整的第23个太阳周期，包含177个能量通道，与AMS-01探测器通道匹配。
• 在2004年3月20日，对全球4050个位置（2°纬度×8°经度网格）计算了有效垂直刚度截止值，结果可从geomagsphere.org下载。
• 对一条经线方向（60°N至60°S）的多方向模拟显示，垂直近似误差随纬度升高而增加，在高纬度地区最高可达25%。
• GeoMag代码成功再现了已知的东-西效应，并准确计算了刚度截止值，其结果经中子监测器数据验证。