Transport of galactic cosmic rays in different heliospheric magnetic field configurations

Sternal, Oliver

The propagation of energetic charged particles in the heliospheric magnetic field is one of the fundamental problems in heliophysics. It is described by Parker's transport equation, a differential equation to compute the temporal evolution of an isotropic particle distribution function under the influence of four basic physical processes: diffusion and drift in the heliospheric magnetic field, as well as convection and adiabatic energy changes in the solar wind. Especially the structure of the heliospheric magnetic field and its influence on the particle transport remain unsolved questions and are discussed controversely. The first successful analytic approach to the structure of the heliospheric magnetic field was the Parker field. Employing this theory, most magnetic field and particle measurements in the heliosphere could be explained. However, the measurements of the first out-of ecliptic spacecraft Ulysses at high latitudes revealed that the existing magnetic field model as well as the diffusion theory, which was widely accepted up to that time, needed to be refined. Among other facts, this led to the development of a new and more complex heliospheric magnetic field model: the Fisk field. This new field model is highly debated and could not be confirmed with magnetic field measurements so far. A promising method to trace this magnetic field structure is the propagation of electrons in the energy range of a few MeV. The influence of a Fisk-type field on the particle transport in the heliosphere leads to characteristic variations of the electron intensities, which can be detected in Ulysses electron count rates. This work presents 3D and time-dependent simulations of the propagation of energetic electrons for two models of the heliospheric magnetic field: the Parker field and for a Fisk-type field. In a study of the long-term modulation of 7 MeV electrons it is shown that the so-called compound approach for the diffusion in a Parker field can reproduce the electron count rates of the IMP-8, SOHO and Ulysses spacecraft for almost two solar cycles. Important parameters describing the solar cycle dependence of the diffusion coefficients are derived. The investigation of the electron transport in a Fisk-type field is devoted to variations of the computed electron intensities on the time scale of a solar rotation. It is shown that the Ulysses count rates of 2.5 - 7 MeV electrons reveal time variations caused by a Fisk-type structure of the heliospheric magnetic field. From a comparison of simulation results and the Ulysses count rates, realistic parameters for the Fisk theory are derived. Finally, the structure of the heliospheric magnetic field and its influence on the long-term modulation of energetic electrons are discussed for the newly found parameters.

Die Ausbreitung energiereicher geladener Teilchen im heliosphärischen Magnetfeld ist eines der fundamentalen Probleme in der Heliophysik. Ihre Beschreibung beruht auf der Parker-Transportgleichung, einer Differentialgleichung zur Berechnung der zeitlichen Entwicklung einer isotropen Verteilungsfunktion unter dem Einfluss von vier physikalischen Prozessen: Diffusion und Drift im heliosphärischen Magnetfeld, sowie Konvektion und adiabatischen Energieänderungen im Sonnenwind. Insbesondere die Struktur des heliosphärischen Magnetfeldes und dessen Einfluss auf die Ausbreitung geladener Teilchen stellen in der Heliophysik ein bisher nur unvollständig gelöstes und kontrovers diskutiertes Problem dar. Die erste erfolgreiche analytische Darstellung des heliosphärischen Magnetfeldes gelang mit dem sogenannten Parker-Feld, mit dessen Hilfe die Magnetfeld- und auch Teilchenmessungen in der Ekliptik erklärt werden konnten. Die ersten Messungen der Ulysses-Mission bei hohen heliographischen Breiten zeigten allerdings, dass sowohl das existierende Magnetfeldmodell als auch die bis dahin akzeptierte Theorie über diffusiven Teilchentransport überarbeitet werden mussten. Dies führte - zusammen mit weiteren neuen Messungen - zur Entwicklung eines neuen und komplexeren Modells für das heliosphärische Magnetfeld: das Fisk-Feld. Dieses wird in der Heliophysik allerdings kritisch diskutiert und konnte bisher mit Hilfe von Magnetfeldmessungen nicht nachgewiesen werden. Eine vielversprechende Nachweismethode ergibt sich in der Ausbreitung von Elektronen im Bereich einiger MeV. Der Einfluss einer Fisk-ähnlichen Magnetfeldstruktur auf den Teilchentransport in der Heliosphäre führt zu charakteristischen Schwankungen der Eletronenintensitäten, die in den Zählraten der Ulysses-Mission nachgewiesen werden können. Die vorliegende Arbeit widmet sich der Modellierung der Ausbreitung energiereicher Elektronen in einer dreidimensionalen und zeitabhängigen Simulation für zwei Modelle des heliosphärischen Magnetfeldes: dem Parker-Feld und dem Fisk-Feld. In einer Studie über die Langzeit-Modulation von 7-MeV-Elektronen wird gezeigt, dass mit Hilfe des sogenannten Compound-Ansatzes für die Diffusion im Parker-Feld die Elektronenzählraten der Raumsonden IMP-8, SOHO und Ulysses über einen Zeitraum von fast zwei solaren Zyklen erklärt werden können. Dabei werden wichtige Parameter für die zeitliche Abhängigkeit der Diffusionsparameter vom solaren Zyklus abgeleitet. Die Untersuchung der Elektronenausbreitung im Fisk-Feld beschäftigt sich mit Variationen der berechneten Elektronenintensitäten auf der Zeitskala einer Sonnenrotation. Es wird gezeigt, dass die von Ulysses gemessenen Elektronenzählraten im Bereich von 2.5 - 7 MeV Variationen beinhalten, die von einer Fisk-Struktur des heliosphärischen Magnetfeldes erzeugt werden. Aus einem Vergleich von Simulationsergebnissen und Messungen der Ulysses-Raumsonde werden realistische Parameter für die Fisk-Theorie abgeleitet. Abschließend werden die Struktur des heliosphärischen Magnetfeldes und dessen Einfluss auf die Langzeit-Modulation von energiereichen Elektronen mit den neu gewonnenen Parametern untersucht.

Quote

Citation style:

Sternal, Oliver: Transport of galactic cosmic rays in different heliospheric magnetic field configurations.

Rights

Use and reproduction:
No CC License (german copyright law applies)

Export