[论文解读] On the GCR intensity and the inversion of the heliospheric magnetic field during the periods of the high solar activity

М. Б. Крайнев, М. С. Калинин|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2014

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文提出一个两阶段模型，将日球磁场（HMF）反转与太阳周期动力学联系起来，解释高太阳活动期间银河宇宙射线（GCR）强度的双谷结构与能量滞后现象。研究证明，HMF极性转换——特别是反转期间全球电流片的缺失——驱动了GCR强度的第一波下降，而随后的偶极子构型则主导第二阶段，对预测太阳活动第24周期中GCR极小值具有重要意义。

ABSTRACT

We consider the long-term behavior of the solar and heliospheric parameters and the GCR intensity in the periods of high solar activity and the inversions of heliospheric magnetic field (HMF). The classification of the HMF polarity structures and the meaning of the HMF inversion are discussed. The procedure is considered how to use the known HMF polarity distribution for the GCR intensity modeling during the periods of high solar activity. We also briefly discuss the development and the nearest future of the sunspot activity and the GCR intensity in the current unusual solar cycle 24.

研究动机与目标

• 阐明HMF极性反转与太阳极大期GCR强度双谷结构之间的物理联系。
• 对HMF极性状态（偶极子、过渡偶极子、反转）进行分类，并将其与不同的GCR调制行为关联。
• 利用HMF极性分布与径向磁场动力学，对高太阳活动期间的GCR强度变化进行建模。
• 评估太阳活动第24周期与历史周期相比的异常行为，特别是低活动水平与GCR调制特征延迟的问题。
• 基于历史类比，估算太阳活动第24周期的最大黑子面积与最小GCR强度。

提出的方法

• 使用1975–2013年间的年平均平滑数据：黑子面积（Sss）、日球磁场强度（BHMF）、高纬度太阳磁场（Bpol_ls），以及WSO模型的球谐系数。
• 采用平流层气球监测（RBM）测量低能GCR强度（截止刚度约0.6–2.4 GV），并利用中子监测仪数据获取高能GCR（Teff ~15 GeV）。
• 采用线性回归方法将高能GCR强度归一化至低能基线，以进行滞后分析。
• 基于HCS形态对HMF极性状态进行分类：全局（偶极子）、多条（过渡偶极子）与非全局（反转）构型。
• 利用径向HMF分量（Br^HMF）及其时间导数（dA/dt）建模磁漂移速度，区分依赖于q·dA/dt与不依赖于q·dA/dt的阶段。
• 通过过去太阳周期极大值与早期周期活动之间的回归关系，预测太阳活动第24周期的最大Sss与最小J。

实验结果

研究问题

• RQ1 日球磁场（HMF）的反转如何影响太阳极大期银河宇宙射线（GCR）强度的双谷结构？
• RQ2 不同HMF极性构型（偶极子、过渡偶极子、反转）在调制GCR强度方面具有何种物理意义？
• RQ3 为何在太阳活动第24周期中，GCR强度的能量滞后现象较之前周期不明显？
• RQ4 太阳活动第24周期中HMF反转的延迟在多大程度上影响了GCR强度极小值的时机与幅度？
• RQ5 能否利用历史类比（如Glaisberg极小期）可靠预测太阳活动第24周期的最大黑子面积与最小GCR强度？

主要发现

• 在太阳极大期，GCR强度的第一波下降与HMF反转同步发生，且与粒子电荷无关，其机制与极性转换期间BHMF的衰减相关。
• HMF反转后1–2年出现的第二波GCR强度下降，取决于q·dA/dt的符号，表明存在电荷依赖的漂移效应。
• HMF极性分类揭示三种类型：(1) 偶极子（存在全局HCS，活动水平低）；(2) 过渡偶极子（存在多条HCS，活动水平中等）；(3) 反转（无全局HCS，活动水平高）。
• 在太阳活动第24周期中，HMF反转发生在黑子极大值之前，且未出现双峰结构，导致未观测到Gnevyshev间隙或完整的滞后环路。
• 太阳活动第24周期的最大黑子面积预计将达到Glaisberg极小期时期（第14–16周期）的最高水平，其预测峰值Sss^M24与历史极小值相当。
• 由于23/24周期极小期期间GCR水平持续偏高，太阳活动第24周期的最小GCR强度预计略高于第20、21和23周期。