[论文解读] Understanding the Effect of Atmospheric Density on the Cosmic Ray Flux Variations at the Earth Surface

Mathes Dayananda, Xiaohang Zhang+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

本研究首次利用Geant4模拟框架，对对流层和同温层空气密度变化引起的地表宇宙射线μ子和中子通量变化进行了数值模拟。研究发现，同温层密度变化主导调节μ子通量，而对流层密度变化则主要影响中子通量，为利用宇宙射线数据监测全球大气温度变化提供了物理解释基础。

ABSTRACT

We report in this letter for the first time the numerical simulations of muon and neutron flux variations at the surface of the earth with varying air densities in the troposphere and stratosphere. The simulated neutron and muon flux variations are in very good agreement with the measured neutron flux variation in Oulu and the muon flux variation in Atlanta. We conclude from this study that the stratosphere air density variation dominates the effects on the muon flux changes while the density variation in troposphere mainly influences the neutron count variation. These results pave a new path for systematically studying the global temperature evolution using worldwide cosmic ray data.

研究动机与目标

• 量化对流层与同温层空气密度变化如何调制地表宇宙射线μ子与中子通量。
• 建立大气密度波动与观测到的宇宙射线通量季节性变化之间的物理解释联系。
• 将模拟结果与芬兰奥卢的实测中子通量（Oulu）和亚特兰大的实测μ子通量（Atlanta）进行验证。
• 探讨利用宇宙射线数据作为长期全球温度演变代理的潜力。
• 确定主导调节μ子与中子通量的气象层。

提出的方法

• 使用Geant4工具包对100公里高、50公里直径的大气柱中的宇宙射线簇射进行模拟。
• 空气密度采用理想气体定律参数化：ρ = P / (0.2869(T + 273.1))，其中P为压力（单位：kPa），T为摄氏温度（单位：°C）。
• 初级宇宙射线建模为垂直入射质子，能量谱来自Beringer等（2012年）研究，仅包含质子。
• 对流层密度在年均值的98%至102%之间变化，以模拟季节性变化，而同温层密度在一组模拟中保持恒定。
• 同温层密度在平均值的90%至110%之间变化，而对流层密度固定，以隔离其对μ子通量的影响。
• 分析簇射最大发生高度的分布，以关联密度变化与μ子产生及衰变动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 对流层空气密度变化如何影响宇宙射线中子在地表的通量？
• RQ2 同温层空气密度在调节地表μ子通量中起什么作用？
• RQ3 模拟的通量变化在多大程度上与奥卢和亚特兰大的实测数据一致？
• RQ4 宇宙射线通量变化能否用作大气温度变化的代理指标？
• RQ5 大气密度波动与μ子和中子通量调制之间存在何种物理机制？

主要发现

• 模拟的中子通量变化与芬兰索丹库拉地磁台站在奥卢的实测数据高度一致，证实对流层密度变化是中子通量变化的主要驱动力。
• 仅同温层空气密度变化即可显著调制μ子通量，模拟结果与乔治亚州立大学在亚特兰大观测到的季节性变化高度吻合。
• 由于同温层密度变化（90%至110%）引起的模拟μ子通量变化表现出强烈的负相关性，与冬季μ子通量较高、夏季较低的观测结果一致。
• 随着同温层密度降低，宇宙射线簇射最大发生高度上升，解释了为何夏季μ子在到达地面前衰变更显著。
• 模拟的簇射最大发生高度与2011–2013年皮奇特里城（Peachtree City）的气压-高度数据外推结果高度一致，验证了模拟模型的可靠性。
• 本研究结论认为，同温层密度变化主导μ子通量调制，而对流层变化主要影响中子通量，为利用宇宙射线数据开展新型气候监测提供了可能。