[우주선 2] 우주선 세기의 변화

[우주선 2] 우주선 세기의 변화

우주선 세기는 일정하지 않고 다양한 시간 규모에 따라 연속적으로 변화한다. 우주선 세기의 변화는 크게 두 가지로 구분된다.

첫째는 지구적(terrestrial) 요인에 의해 지구에서 검출되는 세기의 변화로 주 기적 및 일시적 변화가 있다(Table 1-1). 계절 및 일변화는 겨울철과 여름철 및 주간과 야간의 대기 구조의 차이에 의해서 발생한다. 이 효과는 뮤온 입자에 중요한 영향을 미치나 중성자에는 미미하다. 지구 자기권의 비대칭 형태는 각 지역의 지자기 cutoff의 작은 일변화를 초래하여 결과적으로 지표면에서 우주선 세기의 작은 일변화를 만들어낸다.

둘째는 지구의 자기권 밖으로부터의 지구외적(extra-terrestrial) 요인에 의한 우주선 세기 변화가 있다. 이것은 지구적 요인과 마찬가지로 주기적 및 일시적 변화로 나누어 볼 수 있다(Table 1-2). 주기적 변화는 지구외적 일변화, 태양자 전주기 변화 및 태양주기 변화가 있다. 태양자전주기 변화는 평균적으로 27일 변화이며, 강하고 오랜 기간 동안 지속되는 흑점군 또는 경도상 비대칭 코로나 홀로부터 고속태양풍의 지속에 의해서 발생된다. 일시적 변화에는 Forbush 감 소, 지상중성자증가현상 등을 예로 들 수 있다.

가) 태양주기 변화(solar cyclic variation)

우주선 세기 변화는 Fig. 1-3과 같이 태양활동과 반대 위상으로 11년 주기 변화를 보여준다. Fig. 1-3은 연평균 흑점수와 Oulu 관측소에서의 연평균 우주 선 세기를 비교한 것이다. 태양활동 변화와 관련된 우주선 세기 변화 사이에 시 간 지연이 존재한다. 이 시간 지연은 태양권의 큰 규모와 우주선 입자의 한정된 확산 시간뿐만 아니라, 태양풍의 한정된 전파 시간(행성간 자기장 교란이 함께 일어나는)에 의해 발생한다. 전체 시간 지연은 수 개월이지만, 순간적인 시간 지연은 0에서 약 2년에 걸쳐 다양하게 변화한다. 22년 주기의 우주선 세기 변 화는 태양 자기장 극성변화에 따라 우주선 세기 극대의 모양(flat, sharp)이 변 화한다. 22년 주기 변화는 태양 극소기 근처에서의 표류 효과(drift effect)에 의한 것으로 설명될 수 있다.

나) 지구외적 일변화(extra-terrestrial diurnal variation)

일변화는 진폭이 1~2% 정도의 사인곡선과 거의 같은 형태이다. 지구외적 원 인이 일변화에 가장 큰 기여를 한다. 일변화는 우주선 세기의 지역적 비등방성 (local anisotropy)에 의해 발생한다. Fig. 1-4와 같이 이상적인 경우를 고려해 보면 태양 반대쪽으로의 대류(convection)와 나선 방향의 자기확산(diffusion)이 우주선 세기에 영향을 주어 지방시(local time) 자정이 지난 후의 최소 세기와 이른 오후의 최대 세기가 나타나게 된다. 표류, 우주선 세기의 지역적 위도 구 배, 변화하는 확산 정도 및 변화하는 태양풍 조건 때문에 일변화의 위상과 진폭 (우주선 비등방성의 방향)은 이상적인 그림의 경우와 다를 수 있다(지구 궤도 운동 역시 일변화에 작은 기여를 하고 있다.)

다) Forbush 감소(Forbush decrease, FD)

Fig. 1-5는 Oulu 관측소에서 2011년 2월 18일 발생한 Forbush 감소이다. Forbush 감소는 Fig. 1-5에 제시된 바와 같이 수 일이나 1주일 동안의 점진적 인 회복기가 뒤따르는 우주선 세기의 갑작스런 감소(수 시간 동안 30%에 달하 는) 현상이다. FD는 지구를 통과하는 행성간 충격파(interplanetary shock)가 만들어내는 강한 자기장 장벽에 의해 우주선 세기가 감소하는 현상이다. 강화된 입자 산란에 의해 충격파 전면에 우주선 입자를 모으기도 한다. 이것은 FD 직 전에 우주선 세기의 소폭 증가현상으로 감지될 수 있다. 또, 자기 구름이 지구 를 통과할 때 우주선 세기의 감소 현상이 나타난다. 지속적인 소폭(수 %)의 우 주선 세기 감소 현상이 수 일에 걸쳐 나타난다.

라) 지상중성자증가현상(ground level enhancement, GLE) 

태양 플레어에 의한 태양 고에너지 입자 방출현상으로 지상의 우주선 중성자 관측기에서 측정되는 중성자수가 급격히 증가하는 현상이다. Fig. 1-6은 2012 년 5월 17일 발생한 GLE를 Oulu 관측소에서 관측한 자료이다. 현재까지 72회 의 GLE가 발생하였다(GLE 72: 2017년 9월 10일). Oh et al. (2012)에 의하면 GLE는 고에너지 양성자와 중성자에 기인한 것이므로 GOES 위성의 양성자 고 에너지 채널에서 관측한 SPE보다 빠르게 우주선 중성자 관측기에 기록된다.