[论文解读] Recovery of 150-250 MeV/nuc Cosmic Ray Helium Nuclei Intensities Between 2004-2010 Near the Earth, at Voyager 2 and Voyager 1 in the Heliosheath - A Two Zone Helioshpere

W. R. Webber, F. B. McDonald+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2011

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 33被引用 7

一句话总结

本研究利用2004–2010年地球（IMP/ACE）和旅行者1号、2号在日球层外区的观测数据，对150–250 MeV/nuc宇宙射线氦核强度的恢复过程进行建模。研究提出一种双区日球层输运模型，采用不同的扩散系数，表明日球层外区作为扩散屏障，其扩散系数约为内日球层的1/5，且在所有位置上均能以几近一致的精度解释强度变化，仅存在微小偏差，该偏差可通过10%的日球层压缩效应加以解释。

ABSTRACT

The recovery of cosmic ray He nuclei of energy ~150-250 MeV/nuc in solar cycle #23 from 2004 to 2010 has been followed at the Earth using IMP and ACE data and at V2 between 74-92 AU and also at V1 beyond the heliospheric termination shock (91-113 AU). The correlation coefficient between the intensities at the Earth and at V1 during this time period is remarkable (0.921), after allowing for a ~0.9 year delay due to the solar wind propagation time from the Earth to the outer heliosphere. To describe the intensity changes and to predict the absolute intensities measured at all three locations we have used a simple spherically symmetric (no drift) two-zone heliospheric transport model with specific values for the diffusion coefficient in both the inner and outer zones. The diffusion coefficient in the outer zone, assumed to be the heliosheath from about 90 to 120 (130) AU, is determined to be ~5 times smaller than that in the inner zone out to 90 AU. This means the Heliosheath acts much like a diffusing barrier in this model. The absolute magnitude of the intensities and the intensity changes at V1 and the Earth are described to within a few percent by a diffusion coefficient that varies with time by a factor ~4 in the inner zone and only a factor of ~1.5 in the outer zone over the time period from 2004-2010. For V2 the observed intensities follow a curve that is as much as 25% higher than the calculated intensities at the V2 radius and at times the observed V2 intensities are equal to those at V1. At least one-half of the difference between the calculated and observed intensities between V1 and V2 can be explained if the heliosphere is squashed by ~10% in distance (non-spherical) so that the HTS location is closer to the Sun in the direction of V2 compared to V1.

研究动机与目标

• 理解太阳活动第23周期（2004–2010年）期间高能宇宙射线氦核（150–250 MeV/nuc）的恢复过程。
• 解释在地球、旅行者1号和旅行者2号观测到的强度变化。
• 开发一种双区日球层输运模型，以准确预测三个位置的绝对强度和时间变化。
• 研究日球层外区扩散作用及潜在非球形几何结构在解释模型与观测强度差异中的作用。

提出的方法

• 采用球对称的双区日球层输运模型，内区（延伸至约90 AU）与外区（日球层外区，约90–130 AU）分别设定不同的扩散系数。
• 模型考虑了太阳风从地球传播至外日球层约0.9年的延迟时间。
• 扩散系数随时间变化：2004–2010年间，内区扩散系数变化约4倍，外区变化约1.5倍。
• 利用时变扩散系数预测地球、旅行者1号和旅行者2号的强度，并与IMP、ACE、旅行者1号和旅行者2号的观测数据进行比较。
• 测试非球形日球层模型，假设日球层存在10%的压缩，以解释旅行者1号与2号之间观测到的强度差异。
• 使用观测强度与模型强度之间的相关系数验证模型，地球与旅行者1号强度的相关系数高达0.921。

实验结果

研究问题

• RQ1 2004–2010年间，150–250 MeV/nuc宇宙射线氦核在地球、旅行者1号和旅行者2号的强度如何演变？
• RQ2 内日球层与外日球层中的扩散系数取值为何，可最好地再现三个位置的观测强度变化与绝对水平？
• RQ3 为何观测到的旅行者2号强度比模型预测值高出最多25%，这一现象是否可由日球层几何结构解释？
• RQ4 与内日球层相比，日球层外区在多大程度上充当扩散屏障？
• RQ5 具有时变扩散系数的双区输运模型能否准确预测整个日球层中强度的演化？

主要发现

• 地球与旅行者1号观测强度之间的相关系数为0.921，表明在考虑0.9年太阳风传播延迟后，两者具有高度一致性。
• 外日球层（日球层外区）的扩散系数约为内日球层的1/5，表明日球层外区作为显著的扩散屏障。
• 通过使用时变扩散系数，模型在三个位置均将绝对强度再现至几近一致的水平：2004–2010年间，内区扩散系数变化约4倍，外区变化约1.5倍。
• 观测到的旅行者2号强度比模型预测值最高高出25%，且在某些时刻与旅行者1号强度相当。
• 至少一半的旅行者2号观测与模型之间的偏差可通过10%的日球层压缩效应解释，该效应缩短了旅行者2号方向至日球层终端震波的距离。
• 结合空间与时间变化的扩散系数的双区模型，成功描述了高能宇宙射线氦核在整个日球层中的恢复过程。