Understanding Galactic Cosmic Ray Modulation: Observations and Theory

Gieseler, Jan ORCID

The modulation of Galactic Cosmic Rays (GCRs) in the heliosphere has been a topic of ongoing research for more than 100 years. Over this time, different aspects of the modulation have been investigated, like various timescales and periodicities of variation, charge-sign effects, or dependences of the modulation strength with the particle energy. One recent example of periodic short-term variations of GCRs and Jovian electrons is analyzed in the beginning of this thesis. In 1990, the Ulysses spacecraft was launched. This mission allowed for unprecedented investigations of the spatial distribution of GCRs in the heliosphere and charge-sign effects. Two such analyses are presented in this thesis: For the A<0 solar minimum in the 2000s, the radial and latitudinal gradients of GCRs were calculated, and also charge-sign effects of this so-called unusual solar minimum were examined. However, this investigations were hindered by the fact that there were no corresponding measurements at Earth, and workarounds like comparison with same-rigidity particles of different species or assumptions regarding the behavior of different charged particles needed to be introduced. With the launch of the PAMELA detector on an Earth orbiting satellite in 2006, this gap was closed. PAMELA provided for the first time in-situ intensities of GCR electrons and protons over a wide range of energy with unprecedented energy resolution and statistics. With this tool at hand, it was possible to re-investigate the radial and latitudinal gradients of positively charged GCRs for the 2000s A<0 solar minimum with more accuracy than ever before. Additionally, the high-resolution rigidity spectrum of GCR protons provided by PAMELA allowed us to investigate the rigidity-dependence of the so-called force field approach. Demonstrating the severe limitations of this commonly used model, a straightforward and easy to use workaround introducing a rigidity-dependence is presented in the last part of this thesis.

Die Modulation der Galaktischen Kosmischen Strahlung (GKS) in der Heliosphäre ist seit mehr als 100 Jahren ein Thema andauernder Forschung. Im Jahr 1990 wurde die Raumsonde Ulysses gestartet. Diese Mission erlaubte vorher nie dagewesene Untersuchungen der räumlichen Verteilung der GKS in der Heliosphäre sowie von vorzeichenabhängigen Effekten. Zwei solche Untersuchungen werden in dieser Arbeit vorgestellt: Für das A<0 solare Minimum in den 2000ern wurden die radialen und Breitengradienten der GKS berechnet. Außerdem wurden vorzeichenabhängige Effekte während dieses sogenannten ungewöhnlichen solaren Minimums untersucht. Allerdings wurden diese Analysen dadurch eingeschränkt, dass keine vergleichbaren Messungen an der Erde zur Verfügung standen. Deshalb mussten Behelfslösungen gefunden werden, etwa indem Teilchen gleicher Steifigkeit aber unterschiedlicher Spezies verglichen wurden, oder indem Annahmen betreffend des Verhaltens von Teilchen mit unterschiedlichen Ladungsvorzeichen getroffen wurden. Mit dem Start des PAMELA-Detektors auf einem die Erde umkreisenden Satelliten im Jahr 2006 wurde diese Lücke geschlossen. PAMELA ermöglichte zum ersten Mal die In-situ-Messung der GKS-Intensitäten von Elektronen und Protonen über einen großen Energiebereich mit bis dahin unerreichter Energieauflösung und Statistik. Mit diesen Mitteln konnten die radialen und Breitengradienten der GKS für das 2000er A<0 solare Minimum mit höherer Genauigkeit als je zuvor und für neue Energien untersucht werden. Darüber hinaus ermöglicht das von PAMELA gemessene, hochaufgelöste Steifigkeitsspektrum von GKS-Protonen die Untersuchung der Steifigkeitsabhängigkeit des sogenannten Force-Field-Ansatzes. Nach der Demonstration der schwerwiegenden Einschränkungen dieses weitverbreiteten Modells wird eine einfache und leicht zu nutzende Behelfslösung vorgeschlagen, die eine Steifigkeitsabhängigkeit integriert.

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Gieseler, Jan: Understanding Galactic Cosmic Ray Modulation: Observations and Theory. 2018.

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