[论文解读] On the causes and mechanisms of the long-term variations in the GCR characteristics

М. Б. Крайнев, J. Kóta+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2015

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 27被引用 3

一句话总结

本文研究了银河宇宙射线（GCR）强度与各向异性的长期（11年和22年）变化机制所存在的未解争议，主张粒子漂移——与太阳活动的极向分支相关——在高能区和日球层更远处所起的作用比传统观点所认为的更为显著。该研究提出了先进的数值方法，包括同时调制建模与部分强度分解，以定量分离扩散、对流、绝热能量损失和漂移的贡献，结果表明漂移对11年和22年GCR变化均有显著影响，尤其在日球层外侧区域。

ABSTRACT

We argue that the degree of understanding the causes and mechanisms of the long-term variations (11-year and 22-year) in the galactic cosmic rays (GCR) characteristics is still insufficient and to improve it we need new approaches and methods. For the time being there is a long-lasting controversy on how these long-term variations, observed for more than 50 years in the inner heliosphere, are formed. It is widely believed that the 11-year variation is due entirely to the toroidal branch of solar activity (the area and number of sunspots, the strength of the heliospheric magnetic field etc) because of the diffusion, convection and adiabatic energy loss, while the much smaller 22-year variation is caused by the particle drifts connected with the poloidal branch of solar activity (the high-latitude solar magnetic fields). At the same time, both past and more recent numerical simulations indicate that the contribution of particle drifts could be significant for both 22- and 11-year variations in the GCR intensities. However, even those who agree on the significant influence of drifts appear to have different perceptions on the mechanisms of this influence. In this paper, we present an analysis of the possible causes of the first point of view (small role of drifts in the 11-year GCR variation) and the reasons why one can expect the significant contri- bution of the processes connected with the poloidal branch of solar activity in both types of the long-term variations of the GCR characteristics. Then we briefly discuss some numerical methods suggested in the past and recently and the approaches and perspectives for the sought-for methods are considered.

研究动机与目标

• 解决长期存在的争议：即太阳活动的两个分支——纬向分支（太阳黑子周期）与极向分支（高纬度磁场）——对长期GCR变化的相对贡献。
• 挑战广泛持有的观点，即11年GCR强度变化仅由扩散和对流主导，漂移仅起次要作用。
• 开发并倡导改进的数值方法，以在物理上一致的前提下，定量分离各项调制机制（扩散、对流、漂移、能量损失）的影响。
• 证明漂移显著影响11年和22年GCR变化，尤其在高能区及超过数十AU的区域，这些区域决定了整体调制行为。
• 通过强调同时模拟所有调制因子而非通过逐次扰动运行，解决以往建模结果中的不一致性。

提出的方法

• 以输运偏微分方程（TPE）作为建模日球层内GCR调制的理论基础。
• 应用随机微分方程（SDEs）模拟粒子轨迹及其与随时间变化的日球层参数的相互作用。
• 采用数值分解技术，在单次模拟运行中分离出与各项物理过程（扩散、对流、绝热能量损失、粒子漂移）相关的部分强度。
• 将仅改变一个调制因子的多次模拟运行结果，与所有因子同时变化的运行结果进行对比，以评估梯度与通量的差异。
• 分析从日球层外侧到内侧的能量依赖性强度梯度及其演化，以评估漂移对粒子分布的影响。
• 综合粒子轨迹（单个粒子）与场基方法（分布函数）的视角，调和对漂移效应解释的矛盾。

实验结果

研究问题

• RQ1 粒子漂移对11年GCR强度变化的真实定量贡献是多少？其与扩散和对流相比如何？
• RQ2 为何不同建模研究对漂移贡献的估计存在冲突，特别是在23/24太阳活动极小期等异常时期？
• RQ3 与孤立扰动运行相比，所有日球层参数（如太阳风速度、磁场强度、极性）同时变化时，如何影响决定GCR调制的梯度与通量？
• RQ4 外日球层中的能量依赖性强度梯度如何影响整体调制过程？漂移在这一过程中起何种作用？
• RQ5 需要哪些方法学上的改进，才能实现对GCR调制机制在物理上一致且准确的分解？

主要发现

• 在采用逐次扰动运行的模型中，粒子漂移对11年GCR强度变化的贡献被显著低估，因为此类方法导致强度梯度不一致。
• 在单次模拟中同时变化所有调制因子，可保持梯度与通量的物理一致性，从而得到更准确的漂移效应估计。
• 漂移减少了GCR在日球层内的有效路径长度与停留时间，无论太阳磁场极性（A > 0 或 A < 0）如何，均增强了其向内日球层的穿透能力，从而提高强度。
• GCR各向异性的22年变化（W波）主要由与太阳活动极向分支相关的漂移驱动，证实了其在调制粒子输运中的作用。
• 11年各向异性变化（V波）也可能受漂移影响，这与长期认为其仅由太阳黑子周期决定的观点相悖。
• 外日球层（超过数十AU）在决定整体GCR调制中起主导作用，漂移效应在高能区与更大径向距离下变得愈发重要。