W. Mitthumsiri, D. Ruffolo, K. Munakata, M. Kozai, Y. Hayashi, C. Kato, P. Muangha, A. Sáiz, P. Evenson, P.-S. Mangeard, J. Clem, S. Seunarine, W. Nuntiyakul, N. Miyashita, R. Kataoka, A. Kadokura, S. Miyake, K. Iwai, H. Menjo, E. Echer, A. Dal Lago, M. Rockenbach, N. J. Schuch, J. V. Bageston, C. R. Braga, H. K. Al Jassar, M. M. Sharma, N. Burahmah, F. Zaman, M. L. Duldig, I. Sabbah, and T. Kuwabara
Observations of temporary Forbush decreases (FDs) in the Galactic cosmic-ray (GCR) flux due to the passage of solar storms are useful for space-weather studies and alerts. Here, we introduce techniques that use global networks of ground-based neutron monitors and muon detectors to measure variations of GCR spectra vs. rigidity (momentum per charge) in space during FDs by (1) fitting count rate decreases for power-law rigidity spectra in space with anisotropy up to second order and (2) using the "leader fraction" derived from a single neutron monitor. We demonstrate that both provide consistent results for hourly spectral index variations for five major FDs, and they agree with daily space-based data when available from the Alpha Magnetic Spectrometer. We have also made the neutron monitor leader fraction publicly available in real time (for 1-minute and 1-hour data, see https://neutronm.bartol.udel.edu/realtime/southpole.html; for 6-hour data, see https://neutronm.bartol.udel.edu/~pyle/json/SOPO_RTLF.html), whereas space-based data are not routinely made public. We find a notable correlation between the changes in the cosmic-ray spectral index, especially when derived from the South Pole leader fraction, and widely used indices of geomagnetic storms. If this correlation is supported by further work, our method could report the overall severity of an FD-associated geomagnetic storm in real time. This work verifies that ground-based observations can be used to precisely monitor GCR spectral variation over a wide range of rigidities during space-weather events, with results in real time or from short-term postanalysis.
การสังเกตการลดลงแบบฟอร์บุช (Forbush decreases, FDs) ในฟลักซ์ของรังสีคอสมิกจากกาแล็กซี (Galactic cosmic rays, GCRs) อย่างชั่วคราว เนื่องจากพายุสุริยะผ่านโลก มีประโยชน์สำหรับการศึกษาสภาพอวกาศและการเตือนภัย ที่นี้ เราแนะนำเทคนิคใหม่ที่ใช้เครือข่ายทั่วโลกของอุปกรณ์วัดที่พื้นโลก กล่าวคือ เครื่องตรวจวัดนิวตรอน และเครื่องวัดมิวออน เพื่อวัดการเปลี่ยนแปลงในสเปกตรัมของ GCR ต่อริจิดิตี (โมเมนตัมต่อประจุ) ในอวกาศระหว่างการเกิด FDs โดยวิธีการเหล่านี้ (1) การฟิตการลดลงในอัตรานับรังสี ที่มีสเปกตรัมต่อริจิดิตีในอวกาศแบบพาวเวอร์ลอว์ ด้วยแอนไอโซโทรปีถึงอันดับสอง และ (2) การใช้ “สัดส่วนตัวนำ” ที่หาจากเครื่องตรวจวัดนิวตรอนเครื่องเดียว เราแสดงว่า ทั้งสองวิธีการให้ผลลัพธ์ที่สอดคล้องกันสำหรับการเปลี่ยนแปลงในดัชนีสเปกตรัมรายชั่วโมงระหว่างการเกิด FDs ขนาดใหญ่ 5 เหตุการณ์ และผลลัพธ์ก็สอดคล้องกับข้อมูลรายวันจากเครื่องวัด Alpha Magnetic Spectrometer ในอวกาศด้วย สำหรับช่วงเวลาที่ข้อมูลประเภทนั้นถูกเปิดเผย นอกจากนี้ เราได้เปิดเผยข้อมูลสัดส่วนตัวนำในเวลาจริง (สำหรับข้อมูลทุก 1 นาทีและทุก 1 ชั่วโมง ดู https://neutronm.bartol.udel.edu/realtime/southpole.html และสำหรับข้อมูลทุก 6 ชั่วโมง ดู https://neutronm.bartol.udel.edu/~pyle/json/SOPO_RTLF.html) ขณะที่ข้อมูลจากอวกาศไม่ได้ถูกเปิดเผยเป็นประจำ เราพบความสัมพันธ์ระหว่างการเปลี่ยนของดัชนีสเปกตรัมรังสีคอสมิก โดยเฉพาะเมื่อหาจากสัดส่วนตัวนำจากขั้วโลกใต้ กับดัชนีของพายุแม่เหล็กโลกที่ใช้อย่างแพร่หลาย ถ้างานวิจัยต่อมาสนับสนุนความสัมพันธ์เช่นนี้ วิธีการของเราจะได้รายงานความแรงของพายุแม่เหล็กโลกที่จะเกิดขึ้นทันเหตุการณ์ งานวิจัยนี้ยืนยันว่าการสังเกตจากพื้นโลกนั้น ใช้ได้เพื่อตรวจวัดการเปลี่ยนแปลงในสเปกตรัมของ GCR อย่างแม่นยำ ในช่วงริจิดิตีที่กว้าง ระหว่างการเกิดเหตุการณ์พายุสุริยะ ด้วยผลลัพธ์ในเวลาจริง หรือจากการวิเคราะห์ภายหลังในระยะอันสั้น
งานวิจัยที่เกี่ยวข้อง:
W. Mitthumsiri, D. Ruffolo, K. Munakata, et al. Ground-based Observations of Temporal Variation of the Cosmic-Ray Spectrum during Forbush Decreases, Astrophys. J. Lett., 986, L7 (2025).
https://doi.org/10.3847/2041-8213/add7d1
