Periodic and Abrupt Flux Changes of the Cosmic Rays Interacting with the Solar Wind

국문 초록 (Abstract)

우주선은 여러 천체로부터 기원된 대부분 이온화된 원자입자들이다. 성간 매질에서 태양권에 들어오는 은하우주선 (GCR) 은 행성간 자기장 (IMF)을 실어 나르는 초음속으로 외부로 흐르는 태양풍과 만나게 되어, 태양풍에 반대쪽으로 흐름을 거슬러 전파된다. 이러한 상호작용은 우주선 세기를 감소시키고 일시적인 변화를 발생시킨다. 이러한 우주선 세기 변화 과정을 이해하는 것이 중요하다. 우주선 세기 변화만을 고려한다면, 우주선의 전파와 가속과 같은 은하내의 과정들은 충분히 이해될 수 있다. 행성간 자기장 및 태양풍 속도와 같은 태양풍 요소 변화와 그 변화에 따른 은하 우주선 세기 변화에 대한 연구는 현재까지 탐사선에 의해 접근하기 어려운 태양권 영역의 종합적인 모양과 우주선 세기 변화의 물리적 과정을 확실히 발전시킬 수 있다. IMF-8 WIND, 그리고 ACE와 같은 탐사선은 교란되지 않은 태양풍 측정을 제공해 주고 있다. 지구상의 중성자 검출기는 우주선 세기 변화에 대한 긴 시간 동안의 기록을 제공해준다. 중성자 검출기에 의해서 관측된 우주선 세기는 등방적 분포를 갖는 것으로 가정되지만 다양한 변화를 보여준다. 어떤 변화들은 지구 자전, 태양 자전 그리고 태양활동 주기에 따라 사인파 모양으로 변화기도 하고, 다른 변화들은 Forbush Decrease나 Ground Level Enhancement와 같이 일시적인 현상도 있다. 이러한 변화들은 태양 표면의 활동에서 비롯되거나 태양풍에 의해 전달되는 태양권 구조의 변화에 의해 기인 된 것이다. 태양의 물리적 특성, 태양풍 및 우주선에 대한 기본적인 이해는 연관된 관측 자료의 통계적 처리와 분석에서부터 시작된다고 볼 수 있다. 따라서, 본 논문에서는 태양, 태 양풍 및 행성간 자기장의 관측치에 대한 태양 주기 의존성을 조사하였다. 행성간 충격파의 유도체에 따라 행성간 충격파를 분류하고 그 특성을 분석하였다. 은하우주선 세기 변화에 영향을 주는 태양풍과 행성간 자기장에 대한 통계적 연구로서 우주선 세기의 대표적인 주기적 및 비주기적 변화로서 우주선 세기의 일변화의 비등방성과 Forbush Decrease의 시공간적 특성을 분석하였다. "위상 (phase)"로 정의한 일변화에서 최대 우주선 세기의 지방시의 태양 주기 변화를 이용하여, 우주선 중성자 관측소의 위치적 요인 (cutoff rigidity : 우주선 중성자 관측소의 위도와 경도) 및 태양 활동도와 관계되는 일변화의 경향을 추정하였다. Oulu 우주선 중성자 관측소에서 관측된 Forbush DeCrease 이벤트를 선별하여 Oulu 우주선 중성자 관측소와 다른 우주선 중성자 관측소 (Inuvik, Magadan)에서의 우주선 세기의 시간에 따른 변화 프로파일을 비교하였다. Forbush Decrease의 발생 순간의 공간적(경도상의 위치), 지자기적 및 태양풍 조건을 분석하였다. 기존에 널리 알려진 전형적 지식과는 다른 결과들은 정리하면 다음과 같다. (1) 태양활동도에 따라서 태양표면평균 자기장, 행성간 자기장, 태양풍의 속도는 의미 있는 차이를 보이지만, 태양 자기장 극성에 따른 행성간 자기장의 방향, 즉 나선각은 기존의 연구 결과와 달리 의미 있는 차이가 없는 것으로 보인다. 태양풍 내에서 우주선 전파에 대한 태양 자기극성 역전의 22년 주기의 영향은 존재한다. (2) 행정간 자기장과 태양풍을 교란시켜 상호작용하는 지구자기권 및 우주선에 영향을 주는 행성간 충격파는 유도하는 태양풍의 구조에 따라 그 물리적 특성이 달라지며, 대부분의 행성간 충격파는 코로나물질방출의 행성간 전달에 의해 유도된다. (3) 전지구적인 우주선의 세기 변화 이벤트인 Forbush Decrease 이벤트는 상호작용하는 행성간 자기장의 세기, 태양풍의 속도에 따라 그 규모가 결정된다. 그래서 두 종류의 Forbush Decrease 이벤트가 존재한다. 경도상 위치마다 다른 시각 (UT)에 기록되는 지역적인 Forbush DeCrease 이벤트인 비동시적 Forbush Decrease와 같은 시각 (UT)에 기록되는 전지구적인 Forbush Decrease 이벤트인 동시적 Forbush Decrese가 그 Forbush Decrease의 종류이다. (4) 우주선 세기 일변화의 최대 세기 시각은 cut-off rigidity가 커지는 저위도로 올수록 2 태양 주기와 함께 1 태양 주기에 따라 위상이 변한다. 또 태양활동도에 따라 극대기에 최대 세기 시각이 늦어지는 결과를 가져오며, 각 태양 주기마다 위상 변화 경향이 일정하지 않다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Cosmic rays are mostly particles of ionized atoms originated at the diverse astronomical objects. Galactic cosmic rays (GCRs) entering the heliosphere from the interstellar medium encounter the supersonic outward solar wind carrying the interplanetary magnetic field (IMF) and propagate upstream against the solar wind. This interaction will reduce the cosmic ray flux and cause it to vary temporally. This modulation process is important to understand. Only if the modulation is accounted for, the galactic processes like acceleration and propagation of cosmic rays will be fully understood.
Investigations on the variations of the solar wind parameters such as the IMF and the solar wind speed and on the GCR modulations due to those changes can develop a fairly comprehensive picture of the heliospheric regions which are not currently accessible by spacecraft and the physics of modulation process. The spacecraft of IMP-8, WIND, and ACE are providing measurement of the undisturbed solar wind. The neutron monitors on Earth provide us with the longest record of time history of the modulation.
The GCR intensity observed by the neutron monitors is assumed to be isotropic but it shows diverse variations. Some of them are sinusoidal with periods of the Earths rotation, the Suns rotation, and the solar activity cycle and the others are transient events such as Forbush Decrease (FD) or Ground Level Enhancement (GLE). Such variations might be caused by the changes of heliospheric structure initiated by the activities on solar surface and intermediated by the solar wind.
The fundamental understanding on the physical properties of the sun, the solar wind and cosmic ray begins from the statistical analysis of the associated observation data In this thesis, we investigated the solar cycle dependencies of observable quantities of the Sun, the solar wind and the IMF. We classified the IP shocks by their shock drivers and examined the characteristics of IP shocks. For the statistical study on effects of the solar wind and the IMF on the GCR intensity variation, we examined the anisotropy of diurnal variation and the temporal and spatial characteristics of FD events as the representative periodic and abrupt variation of cosmic ray intensity. Using the solar cycle change of the local time of the daily maximum cosmic ray intensity called as the phase, we inferred the trends in diurnal variation concerning with location factor of the neutron monitor (NM) station (cutoff rigidity: the latitude and longitude of NM station) and with the solar activity. We selected the FD events observed by Oulu NM station and compared the time-varying profiles at Oulu with them at other NM stations (Inuvik, Magadan) and analyzed the spatial (longitudinal location), geomagnetic and solar wind conditions at the moments of FD events.
Contrary to the previously known paradigm knowledges, we found that
(1) According to the solar activity, there exists significant difference in the solar mean magnetic field, IMF, solar wind speed, but, there exists insignificant difference in the direction of IMF concerning with the solar magnetic polarity, that is, spiral angle contrary to the results of preceding researches. There exists the influence of 22-year cycle of solar magnetic polarity reversal on the propagation of cosmic rays in the solar wind.
(2) The physical properties of the IP shocks which disturb the solar wind and IMF to affect on the geomagnetosphere and cosmic ray are different in structures of solar wind to drive IP shocks. Most of IP shocks are driven by the interplanetary transport of coronal mass ejections.
(3) The scales of Forbush decreases as the global variation of cosmic ray intensity are determined by the magnitude of IMF and solar wind speed with interaction.
Then, there are two kinds of Forbush decreases ; non-simultaneous Forbush decreases that local Forbush decreases are recorded at different universal time and simultaneous Forbush decreases that global Forbush decreases are recorded at same universal time.
(4) The local time of maximum GCR intensity in diurnal variation varies with two sunspot cycles and one sunspot cycle at lower latitude with larger cut-off rigidity.
Concerning with the solar activity, the local time of maximum GCR intensity is delayed at the solar maximum and doesn't have constant trend of phase at each solar cycle.

목차 (Table of Contents)

• ABSTRACT = ⅰ
• Contents = ⅳ
• List of Figures = ⅵ
• List of Tables = ⅹ
• Chapter 1. Introduction = 1
• 1.1 Interplanetary Magnetic Field (IMF) = 1
• 1.2 Solar wind = 2
• 1.3 Heliosphere = 6
• 1.4 Solar Flares = 6
• 1.5 Coronal Mass Ejection (CME) = 8
• 1.6 Cosmic Ray = 9
• 1.7 Aim and Scope of this study = 20
• Chapter 2. Solar cycle variations of the solar and the interplanetary parameters = 23
• Abstract = 23
• 2.1 Introduction = 24
• 2.2 Data and Analysis = 26
• 2.3 Results = 28
• 2.3.1 Interplanetary magnetic field of the solar wind = 28
• 2.3.2 Flow of the solar wind = 37
• 2.3.3 Polarity of the IMF = 40
• 2.4 Discussion = 43
• Chapter 3. Classification of interplanetary shock drivers = 47
• Abstract = 47
• 3.1 Introduction = 48
• 3.2 Data and Analysis = 50
• 3.3 Results = 55
• 3.4 Conclusion and Discussion = 83
• Chapter 4. Global Simultaneity of Forbush Decrease = 86
• Abstract = 86
• 4.1 Introduction = 87
• 4.2 Data and Analysis = 88
• 4.3 Results = 92
• 4.4 Conclusion and Discussion = 99
• Chapter 5. Modulation cycles of GCR diurnal anisotropy variation = 101
• Abstract = 101
• 5.1 Introduction = 102
• 5.2 Data and Analysis = 103
• 5.3 Results = 107
• 5.4 Discussion = 116
• Chapter 6. Conclusions = 120
• References = 122
• 국문초록 = 131