Cosmic ray anisotropies during forbush decrease

Abstract

The flux of Galactic cosmic rays (GCRs) can undergo a so-called Forbush decrease (FD) during the passage of a shock, sheath region, or magnetic flux rope associated with a coronal mass ejection. Cosmic ray observations during FDs could provide information complementary to in situ observations of the local plasma and magnetic field, because cosmic ray distributions allow remote sensing of distant conditions. Here we develop techniques to determine the GCR flux and anisotropy before and during a FD using data from the worldwide network of neutron monitors (NMs), for a case study of the FD starting on 2013 April 13th. We find that the main GCR flux decrease was not at the time of arrival of the shock or magnetic flux rope, but rather at a time of strong magnetic fluctuations and scattering in the sheath region. There was an anisotropic precursory decrease at numerous NM stations as their asymptotic viewing directions rotated into a loss cone that expanded with the approach of that scattering structure. We confirm a theoretically expected pattern that stronger magnetic fluctuations cause scattering that decreases the parallel anisotropy and increases the perpendicular anisotropy. At times of weak scattering, there was a strong unilateral anisotropy in the direction predicted from a theory of drift motions into one leg of the magnetic flux rope and out the other, confirming that the anisotropy can remotely sense a large scale flow of GCRs through a magnetic flux structure.

ฟลักซ์ของรังสีคอสมิกชนิดกาแล็กติกอาจมี "การลดลงแบบฟอร์บุช" ระหว่างการผ่านของคลื่นกระแทก บริเวณเปลือกเส้นเกลียวฟลักซ์แม่เหล็กที่สัมพันธ์กันกับการปลดปล่อยก้อนมวลสารจากโคโรนาบนดวงอาทิตย์ การสังเกตรังสีคอสมิกระหว่างการลดลงแบบฟอร์บุชสามารถที่จะให้ข้อมูลที่แตกต่างจากการสังเกตพลาสมาและสนามแม่เหล็กในอวกาศ เสมือนระบบตรวจวัดจากระยะไกล โดยเราได้ทำ การพัฒนาเทคนิกในการกำหนดฟลักซ์และแอนไอซอทรอปี ของรังสีคอสมิกชนิดกาแล็กติก ทั้งในช่วงก่อนและระหว่างการลดลงแบบฟอร์บุชสำหรับตัวอย่างเหตุการณ์ที่เริ่มเกิดขึ้นในวันที่ 13 เมษายน 2556 เราพบว่าการลดลงในฟลักซ์ของรังสีคอสมิกชนิดกาแล็กติกไม่ได้เกิดขึ้นในขณะที่ช็อคหรือเส้นเกลียวฟลักซ์สนามแม่เหล็กมาถึง แท้จริงแล้วได้ลดลงตรงบริเวณที่มีสนามแม่เหล็กปั่นปวนมากและการกระเจิงในบริเวณเปลือก เราพบปรากฏการณ์แอนไอซอทรอปีก่อนการลดลงในฟลักซ์ ณ สถานีตรวจวัดนิวตรอนจำนวนมากที่มีทิศทางในการตรวจวัดรังสีคอสมิก หมุนเข้าไปในทิศทางทรงกรวยแห่งการลดลงในฟลักซ์ของรังสีคอสมิก โดยกรวยนี้ได้ขยายตัวในขณะที่โครงสร้างของการกระเจิงนั้นได้เข้ามาใกล้นอกจากนั้นเราสามารถยืนยันการคาดการณ์ในเชิงทฤษฎีว่าสนามแม่เหล็กในอวกาศที่ปั่นป่วนรุนแรง สามารถก่อให้เกิดการกระเจิงที่ทำให้แอนไอซอทรอปีลดในแนวขนานกับสนามแม่เหล็กในอวกาศและเพิ่มขึ้นในทิศทางที่ตั้งฉาก ขณะเวลาที่มีการกระเจิงน้อยพบแอนไอซอทรอปี ในหนึ่งทิศทางไปตามทิศทางที่เคยคาดการณ์ไว้จากทฤษฎีการเคลื่อนที่แบบลอยเลื่อนเข้าไปในด้านหนึ่งและออกมาในอีกด้านหนึ่งของเส้นเกลียวฟลักซ์แม่เหล็ก ซึ่งสามารถยืนยันได้เป็นอย่างดีว่าแอนไอซอทรอปี สามารถบ่งบอกถึงการเคลื่อนที่ในระดับมหภาคของรังสีคอสมิกไปตามโครงสร้างของเส้นเกลียวฟลักซ์แม่เหล็กได้