Sự Tăng Cường Cấp Độ Đất của Hạt Năng Lượng Mặt Trời và Chu Kỳ Mặt Trời
Tóm tắt
Các cơn bão địa từ nghiêm trọng có vẻ như được sắp xếp theo chu kỳ mặt trời theo nhiều cách khác nhau. Chúng xảy ra thường xuyên hơn gần điểm cực đại của mặt trời và giai đoạn suy giảm, phổ biến hơn trong các chu kỳ mặt trời lớn hơn và cho thấy các mẫu xuất hiện khác nhau trong các chu kỳ mặt trời lẻ và chẵn. Tuy nhiên, kiến thức của chúng ta về những sự kiện thời tiết không gian cực đoan nhất xuất phát từ các đỉnh trong hồ sơ đồng vị vũ trụ (14C, 10Be, và 36Cl) được quy cho các sự kiện hạt năng lượng mặt trời (SEP) lớn hơn nhiều so với những gì đã được quan sát trong kỷ nguyên không gian. Mặc dù cả bão và SEP đều do các hiện tượng bùng nổ của mặt trời dẫn dắt, nhưng sự tương ứng theo từng sự kiện giữa các cơn bão cực đoan và SEP cực đoan là thấp. Do đó, không nên giả định a priori rằng các mô hình chu kỳ mặt trời được tìm thấy cho bão cũng áp dụng cho SEP và các sự kiện đồng vị vũ trụ. Trong nghiên cứu này, chúng tôi khảo sát các xu hướng chu kỳ mặt trời trong thời gian và độ lớn của 67 sự kiện gia tăng cấp độ mặt đất của SEP (GLE) được ghi nhận bởi máy theo dõi neutron từ giữa những năm 1950. Sử dụng nhiều mô hình xác suất xảy ra GLE, chúng tôi chỉ ra rằng GLE có khả năng xảy ra cao gấp bốn lần quanh cực đại mặt trời so với quanh cực tiểu mặt trời, và chúng thường xảy ra sớm hơn trong các chu kỳ mặt trời chẵn so với các chu kỳ lẻ. Dữ liệu hiện tại không đủ để xác định chắc chắn xem các chu kỳ mặt trời lớn hơn có tạo ra nhiều GLE hơn hay không. Các hệ quả cho các sự kiện thời tiết không gian giả định trong hồ sơ đồng vị vũ trụ cũng được thảo luận. Chúng tôi phát hiện rằng GLE có xu hướng tập trung trong một vài chục ngày, có thể do các vùng hoạt động cực kỳ năng suất, và với khoảng cách khoảng 11 năm, do sự sắp xếp theo chu kỳ mặt trời. Tuy nhiên, những khoảng thời gian này sẽ không giải thích bất kỳ đỉnh đồng vị vũ trụ nào yêu cầu nhiều sự kiện SEP cực đoan liên tiếp qua các năm.
Từ khóa
Tài liệu tham khảo
Asvestari, E., Willamo, T., Gil, A., Usoskin, I.G., Kovaltsov, G.A., Mikhailov, V.V., Mayorov, A.: 2017, Analysis of Ground Level Enhancements (GLE): extreme solar energetic particle events have hard spectra. Adv. Space Res. 60, 781. DOI.
Barnard, L., Lockwood, M.: 2011, A survey of gradual solar energetic particle events. J. Geophys. Res. 116, A05103. DOI.
Barnard, L., McCracken, K.G., Owens, M.J., Lockwood, M.: 2018, What can the annual 10Be solar activity reconstructions tell us about historic space weather? J. Space Weather Space Clim. 8, A23. DOI.
Brehm, N., Bayliss, A., Christl, M., Synal, H.-A., Adolphi, F., Beer, J., Kromer, B., Muscheler, R., Solanki, S.K., Usoskin, I., Bleicher, N., Bollhalder, S., Tyers, C., Wacker, L.: 2021, Eleven-year solar cycles over the last millennium revealed by radiocarbon in tree rings. Nat. Geosci. 14, 10. DOI.
Caballero-Lopez, R.A., Moraal, H., McCracken, K.G., McDonald, F.B.: 2004, The heliospheric magnetic field from 850 to 2000 AD inferred from 10Be records. J. Geophys. Res. 109, 12102. DOI.
Chapman, S.C., McIntosh, S.W., Leamon, R.J., Watkins, N.W.: 2020, Quantifying the solar cycle modulation of extreme space weather. Geophys. Res. Lett. 47, e2020GL087795. DOI.
Clette, F., Lefèvre, L.: 2016, The new sunspot number: assembling all corrections. Solar Phys. 291, 2629. DOI.
Cliver, E.W., Boriakoff, V., Bounar, K.H.: 1996, The 22-year cycle of geomagnetic and solar wind activity. J. Geophys. Res. 101, 27091.
Cliver, E.W., Tylka, A.J., Dietrich, W.F., Ling, A.G.: 2014, On a solar origin for the cosmogenic nuclide event of 775 A.D. Astrophys. J. 781, 32. DOI.
Cliver, E.W., Hayakawa, H., Love, J.J., Neidig, D.F.: 2020, On the size of the flare associated with the solar proton event in 774 AD. Astrophys. J. 903, 41. DOI.
Cliver, E.W., Schrijver, C.J., Shibata, K., Usoskin, I.G.: 2022, Extreme solar events. Living Rev. Solar Phys. 19, 2. DOI.
Dee, M., Pope, B., Miles, D., Manning, S., Miyake, F.: 2017, Supernovae and single-year anomalies in the atmospheric radiocarbon record. Radiocarbon 59, 293. DOI.
Desai, M., Giacalone, J.: 2016, Large gradual solar energetic particle events. Living Rev. Solar Phys. 13, 3. DOI.
Forbush, S.E.: 1946, Three unusual cosmic-ray increases possibly due to charged particles from the Sun. Phys. Rev. 70, 771. Publisher: American Physical Society. DOI.
Gopalswamy, N., Yashiro, S., Akiyama, S., Mäkelä, P., Xie, H., Kaiser, M.L., Howard, R.A., Bougeret, J.L.: 2008, Coronal mass ejections, type II radio bursts, and solar energetic particle events in the SOHO era. Ann. Geophys. 26, 3033. DOI.
Hambaryan, V.V., Neuhäuser, R.: 2013, A galactic short gamma-ray burst as cause for the 14C peak in AD 774/5. Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 430, 32. DOI.
Jiggens, P.T.A., Gabriel, S.B.: 2009, Time distributions of solar energetic particle events: are SEPEs really random? J. Geophys. Res. 114, A10105. DOI.
Kilpua, E.K.J., Olspert, N., Grigorievskiy, A., Käpylä, M.J., Tanskanen, E.I., Miyahara, H., Kataoka, R., Pelt, J., Liu, Y.D.: 2015, Statistical study of strong and extreme geomagnetic disturbances and solar cycle characteristics. Astrophys. J. 806, 272. DOI.
Liu, Y., Zhang, Z.-f., Peng, Z.-c., Ling, M.-x., Shen, C.-C., Liu, W.-g., Sun, X.-c., Shen, C.-d., Liu, K.-x., Sun, W.: 2014, Mysterious abrupt carbon-14 increase in coral contributed by a comet. Sci. Rep. 4, 3728. DOI.
Lockwood, M., Barnard, L., Nevanlinna, H., Owens, M.J., Harrison, R.G., Rouillard, A.P., Davis, C.J.: 2013, Reconstruction of geomagnetic activity and near-Earth interplanetary conditions over the past 167 yr – Part 1: a new geomagnetic data composite. Ann. Geophys. 31, 1957. DOI.
Lockwood, M., Chambodut, A., Barnard, L.A., Owens, M.J., Clarke, E., Mendel, V.: 2018a, A homogeneous aa index: 1. Secular variation. J. Space Weather Space Clim. 8, A53. DOI.
Lockwood, M., Finch, I.D., Chambodut, A., Barnard, L.A., Owens, M.J., Clarke, E.: 2018b, A homogeneous aa index: 2. Hemispheric asymmetries and the equinoctial variation. J. Space Weather Space Clim. 8, A58. DOI.
Low, B.C.: 2001, Coronal mass ejections, magnetic flux ropes, and solar magnetism. J. Geophys. Res. 106, 25141. DOI.
Lynch, B.J., Gruesbeck, J.R., Zurbuchen, T.H., Antiochos, S.K.: 2005, Solar cycle dependent helicity transport by magnetic clouds. J. Geophys. Res. 110, A08107. DOI.
Márquez-Adame, J.C., Pérez-Peraza, J., Velasco-Herrera, V.: 2019, Determination of GLE of solar energetic particles by means of spectral analysis. Astrophys. J. 878, 154. DOI.
Miroshnichenko, L.I.: 2018, Retrospective analysis of GLEs and estimates of radiation risks. J. Space Weather Space Clim. 8, A52. DOI.
Miroshnichenko, L.I., Li, C., Yanke, V.G.: 2020, Small size ground level enhancements during solar cycle 24. Solar Phys. 295, 102. DOI.
Miyake, F., Masuda, K., Nakamura, T.: 2013, Another rapid event in the carbon-14 content of tree rings. Nat. Commun. 4, 1748. DOI.
Miyake, F., Nagaya, K., Masuda, K., Nakamura, T.: 2012, A signature of cosmic-ray increase in AD 774 – 775 from tree rings in Japan. Nature 486, 240. DOI.
Mursula, K., Usoskin, I.G., Maris, G.: 2007, Introduction to space climate. Adv. Space Res. 40, 885. DOI.
Nandy, D.: 2021, Progress in solar cycle predictions: sunspot cycles 24 – 25 in perspective. Solar Phys. 296, 54. DOI.
Nitta, N.V., Liu, Y., DeRosa, M.L., Nightingale, R.W.: 2012, What are special about ground-level events? Space Sci. Rev. 171, 61. DOI.
Notsu, Y., Maehara, H., Honda, S., Hawley, S.L., Davenport, J.R.A., Namekata, K., Notsu, S., Ikuta, K., Nogami, D., Shibata, K.: 2019, Do Kepler superflare stars really include slowly rotating sun-like stars? – Results using APO 3.5 m telescope spectroscopic observations and Gaia-DR2 data. Astrophys. J. 876, 58. DOI.
Okamoto, S., Notsu, Y., Maehara, H., Namekata, K., Honda, S., Ikuta, K., Nogami, D., Shibata, K.: 2021, Statistical properties of superflares on solar-type stars: results using all of the Kepler primary mission data. Astrophys. J. 906, 72. DOI.
Owens, M.J., Crooker, N.U.: 2006, Coronal mass ejections and magnetic flux buildup in the heliosphere. J. Geophys. Res. 111, A10104. DOI.
Owens, M.J., Lockwood, M., Barnard, L., Davis, C.J.: 2011, Solar cycle 24: implications for energetic particles and long-term space climate change. Geophys. Res. Lett. 38, 1. DOI.
Owens, M.J., McCracken, K.G., Lockwood, M., Barnard, L.: 2015, The heliospheric Hale cycle over the last 300 years and its implications for a “lost” late 18th century solar cycle. J. Space Weather Space Clim. 5, A30. DOI.
Owens, M.J., Cliver, E.W., McCracken, K.G., Beer, J., Balogh, A., Barnard, L., Lockwood, M., Rouillard, A.P., Wang, Y.-M., Passos, S., Riley, P., Usoskin, I.: 2016a, Near-Earth heliospheric magnetic field intensity since 1750. Part 1: sunspot and geomagnetic reconstructions. J. Geophys. Res. 121, 6048. DOI.
Owens, M.J., Cliver, E.W., McCracken, K.G., Beer, J., Balogh, A., Barnard, L., Lockwood, M., Rouillard, A.P., Wang, Y.-M., Passos, S., Riley, P., Usoskin, I.: 2016b, Near-Earth heliospheric magnetic field intensity since 1750. Part 2: cosmogenic radionuclide reconstructions. J. Geophys. Res. 121, 6064. DOI.
Owens, M.J., Lockwood, M., Barnard, L.A., Scott, C.J., Haines, C., Macneil, A.: 2021, Extreme space-weather events and the solar cycle. Solar Phys. 296, 82. DOI.
Parker, E.N.: 1958, Dynamics of the interplanetary gas and magnetic fields. Astrophys. J. 128, 664. DOI.
Pérez-Peraza, J., Juárez-Zuñiga, A.: 2015, Prognosis of GLEs of relativistic solar protons. Astrophys. J. 803, 27. DOI.
Pesnell, W.D.: 2020, Lessons learned from predictions of Solar Cycle 24. J. Space Weather Space Clim. 10, 60. DOI.
Richardson, I.G., Cane, H.V.: 2010, Near-Earth interplanetary coronal mass ejections during Solar Cycle 23 (1996 – 2009): catalog and summary of properties. Solar Phys. 264, 189. DOI.
Richardson, I.G., Cane, H.V., Cliver, E.W.: 2002, Sources of geomagnetic activity during nearly three solar cycles (1972 – 2000). J. Geophys. Res. 107, A8. DOI.
Sakurai, H., Tokanai, F., Miyake, F., Horiuchi, K., Masuda, K., Miyahara, H., Ohyama, M., Sakamoto, M., Mitsutani, T., Moriya, T.: 2020, Prolonged production of 14C during the ∼660 BCE solar proton event from Japanese tree rings. Sci. Rep. 10, 660. DOI.
Solanki, S.K., Usoskin, I.G., Kromer, B., Schüssler, M., Beer, J.: 2004, Unusual activity of the Sun during recent decades compared to the previous 11,000 years. Nature 431, 1084. DOI.
Steinhilber, F., Abreu, J.A., Beer, J., Brunner, I., Christl, M., Fischer, H., Heikkila, U., Kubik, P.W., Mann, M., McCracken, K.G., Miller, H., Miyahara, H., Oerter, H., Wilhelms, F.: 2012, 9,400 years of cosmic radiation and solar activity from ice cores and tree rings. Proc. Natl. Acad. Sci. 109, 5967. DOI.
Stoker, P.H.: 2009, The IGY and beyond: a brief history of ground-based cosmic-ray detectors. Adv. Space Res. 44, 1081. DOI.
Sukhodolov, T., Usoskin, I., Rozanov, E., Asvestari, E., Ball, W.T., Curran, M.A.J., Fischer, H., Kovaltsov, G., Miyake, F., Peter, T., Plummer, C., Schmutz, W., Severi, M., Traversi, R.: 2017, Atmospheric impacts of the strongest known solar particle storm of 775 AD. Sci. Rep. 7, 45257. DOI.
Svalgaard, L., Cliver, E.W.: 2005, The IDV index: its derivation and use in inferring long-term variations of the interplanetary magnetic field strength. J. Geophys. Res. 110, 12103. DOI.
Thomas, S.R., Owens, M.J., Lockwood, M.: 2013, The 22-year Hale cycle in cosmic ray flux – evidence for direct heliospheric modulation. Solar Phys. 289, 407. DOI.
Usoskin, I.G.: 2017, A history of solar activity over millennia. Living Rev. Solar Phys. 14, 3. DOI.
Usoskin, I.G., Kovaltsov, G.A.: 2015, The carbon-14 spike in the 8th century was not caused by a cometary impact on Earth. Icarus 260, 475. DOI.
Usoskin, I.G., Kromer, B., Ludlow, F., Beer, J., Friedrich, M., Kovaltsov, G.A., Solanki, S.K., Wacker, L.: 2013, The AD775 cosmic event revisited: the Sun is to blame. Astron. Astrophys. 552, L3. DOI.
Usoskin, I., Koldobskiy, S., Kovaltsov, G.A., Gil, A., Usoskina, I., Willamo, T., Ibragimov, A.: 2020, Revised GLE database: fluences of solar energetic particles as measured by the neutron-monitor network since 1956. Astron. Astrophys. 640, A17. DOI.
Usoskin, I.G., Solanki, S.K., Krivova, N.A., Hofer, B., Kovaltsov, G.A., Wacker, L., Brehm, N., Kromer, B.: 2021, Solar cyclic activity over the last millennium reconstructed from annual 14C data. Astron. Astrophys. 649, A141. DOI.
Vennerstrom, S., Lefevre, L., Dumbovic, M., Crosby, N., Malandraki, O., Patsou, I., Clette, F., Veronig, A., Vrsnak, B., Leer, K., Moretto, T.: 2016, Extreme geomagnetic storms – 1868 – 2010. Solar Phys. 291, 1447. DOI.
Wang, F.Y., Li, X., Chernyshov, D.O., Hui, C.Y., Zhang, G.Q., Cheng, K.S.: 2019, Consequences of energetic magnetar-like outbursts of nearby neutron stars: 14C events and the cosmic electron spectrum. Astrophys. J. 887, 202. DOI.
Waterfall, C.O.G., Dalla, S., Laitinen, T., Hutchinson, A., Marsh, M.: 2022, Modelling the transport of relativistic solar protons along a heliospheric current sheet during historic GLE events. Astrophys. J. 934, 1 DOI