Interaction of Cosmic Rays with the Earth's Magnetosphere and Atmosphere - Modeling the Cosmic Ray Induced Ionization and the Production of Cosmogenic Radionuclides

Herbst, Klaudia

Cosmogenic radionuclides like $^{10}$Be and $^{14}$C are produced by reactions of primary cosmic rays (CR) and secondary particles with atmospheric nuclei, are then mixed in the atmosphere and finally deposited in natural archives like ice sheets, tree rings or sediments. Because the flux of CRs strongly depends on solar activity the production rate of cosmogenic radionuclides being stored in these archives have recorded the solar activity over thousands of years. Although cosmogenic radionuclide measurements can, thus, in principle be used to reconstruct solar activity back in time, the problem arises that reconstructions based on $^{10}$Be and $^{14}$C differ significantly. This work provides a reconstruction which for the first time is consistent with both $^{10}$Be and $^{14}$C archive data. In order to do so, the full simulation chain --- starting with the local interstellar medium beyond the heliosphere and ending with the deposition of the radionuclides in natural archives --- determining the generation of cosmogenic radionuclides has to be taken into account. For the reconstruction of the solar activity over thousands of years in this work the activity is reflected by the solar modulation parameter $\phi$. Investigating first the different local interstellar spectrum (LIS) models this work provides a method to convert them into each other, models the CR modulation within the heliosphere and studies their consistency with terrestrial and space data. Secondly, the particle transport within the Earth's magnetosphere is described, stressing the importance of the field geometry for the vertical cutoff rigidity, complemented by investigations of the direction of incidence. In a third step the secondary particle environment and its dependence on the respective LIS model as well as hadronic interaction models is studied. Using LIS-dependent solar modulation parameters all LIS models are shown to be able to represent the measurements. In order to decide which hadronic interaction model is the more suitable one, fourth, the CR-induced ionization of the atmosphere is investigated, favoring the Bertini model rather than the BIC model. After having successfully validated the local and global production rates of $^{10}$Be, $^{7}$Be, $^{36}$Cl, $^{3}$H, $^{26}$Al and $^{14}$C in a fifth issue, on the basis of modeled and measured production rates and taking into account temporal variations of the Earth's magnetic field strengths, this work provides a new solar modulation parameter being able to represent $^{10}$Be as well as $^{14}$C data over the entire Holocene.

Kosmogene Radionuklide, wie $^{10}$Be und $^{14}$C, werden \"uberwiegend durch Reaktionen der Kosmischen Strahlung sowie der sekund\"aren Teilchen mit den Bestandteilen der Atmosph\"are produziert, dort gemischt und anschlie\ss end in nat\"urlichen Archiven wie Baumringen, Eisschichten und Sedimenten abgelagert. Aufgrund der Tatsache, dass der Fluss der kosmischen Strahlung stark von der solaren Aktivit\"at abh\"angt, haben die in den Archiven gespeicherten Produktionsraten der kosmogenen Radionuklide die Aktivit\"at \"uber tausende von Jahren aufgezeichnet. Doch obwohl die Messungen zur Rekonstruktion der solaren Aktivit\"at genutzt werden k\"onnen, zeigt sich, dass die Ergebnisse unter Benutzung der beiden Radionuklide stark voneinander abweichen. Die vorliegende Arbeit unternimmt den Versuch, eine Rekonstruktion der solaren Aktivit\"at bereitzustellen, welche erstmals sowohl mit $^{10}$Be, als auch $^{14}$C Messungen konsistent ist. Um dies zu erreichen wird die vollst\"andige Simulationskette, welche f\"ur die Produktion der kosmogenen Radionuklide verantwortlich ist, beginnend mit dem lokalen interstellaren Medium jenseits der Heliosph\"are und endend mit der Einlagerung der kosmogenen Radionuklide in nat\"urlichen Archiven, ber\"ucksichtigt. Dabei wird die solare Aktivit\"at durch den solaren Modulationsparameter $\phi$ beschrieben. In der Untersuchung der verschiedene Modelle des lokalen interstellaren Spektrums (LIS) wird zun\"achst eine Methode vorgestellt, mit der die verschiedenen Modellspektren ineinander umgerechnet werden k\"onnen, sowie ihre Modulation innerhalb der Heliosph\"are simuliert. Des Weiteren wird ihre Konformit\"at mit terrestrischen und extraterrestrischen Messungen gepr\"uft. In einem zweiten Schritt wird der Teilchentransport innerhalb der Erdmagnetosph\"are beschrieben, wobei insbesondere die Bedeutung der Magnetfeldgeometrie f\"ur die vertikale Cutoff-Steifigkeit betont, und zus\"atzlich der Einfluss der Einfallsrichtung Kosmischer Strahlung untersucht wird. Die dritte Untersuchung besch\"aftigt sich mit der Simulation der sekund\"aren Teilchenkomponenten sowie der Untersuchung ihrer Abh\"angigkeit vom LIS-Modell und des hadronischen Wechselwirkungsmodells. Mit Hilfe der LIS-abh\"angigen solaren Modulationsparameter wird gezeigt, dass alle LIS-Modelle in der Lage sind die Messungen widerzuspiegeln. Um dagegen zu entscheiden, welches der hadronischen Wechselwirkungsmodelle f\"ur die Zwecke dieser Arbeit besser geeignet ist, wird in einem vierten Schritt die Ionisation der Atmosph\"are untersucht. Wie gezeigt wird, beg\"unstigen diese Untersuchung das Bertini-Modell gegen\"uber dem BIC-Modell. Nach erfolgreicher Validierung der simulierten lokalen und globalen Produktionsraten der kosmogenen Radionuklide $^{10}$Be, $^{7}$Be, $^{36}$Cl, $^{3}$H, $^{26}$Al und $^{14}$C wird, unter Benutzung gemessener und modulierter $^{10}$Be und $^{14}$C Produktionsraten sowie unter Ber\"ucksichtigung der zeitlichen Variation der St\"arke des Erdmagnetfeldes, in einem f\"unften Punkt, ein solarer Modulationsparameter, welcher in der Lage ist, sowohl die $^{10}$Be als auch die $^{14}$C Messungen w\"ahrend des Holoz\"ans widerzuspiegeln, bestimmt.


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Herbst, Klaudia: Interaction of Cosmic Rays with the Earth's Magnetosphere and Atmosphere - Modeling the Cosmic Ray Induced Ionization and the Production of Cosmogenic Radionuclides. 2012.


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