Sankt-Peterburg, Russian Federation
Sankt-Peterburg, Russian Federation
Sankt-Peterburg, Russian Federation
Irkutsk, Russian Federation
Very strong interplanetary and magnetospheric disturbance observed on 7–13 November 2004 can be regarded as one of the strongest events during the entire period of space observations. In this paper, we report on the studies of cosmic ray cutoff rigidity variations during 7–13 November 2004 showing how storm conditions can affect the direct cosmic ray access to the inner magnetosphere. Effective cutoff rigidities have been calculated for selected points on the ground by tracing trajectories of cosmic ray particles through the magnetospheric magnetic field of the “storm-oriented” Tsyganenko 2003 model [Tsyganenko, 2002a, b; Tsyganenko et al., 2003]. Cutoff rigidity variations have also been determined by the spectrographic global survey method on the basis of experimental data of the neutron monitor network. Correlations between the calculated and experimental cutoff rigidities, as well as between geomagnetic Dst index and interplanetary parameters have been investigated. Correlation coefficients between the cutoff rigidities obtained by the trajectory tracing method and the spectrographic global survey method have been found to be in the limits of 0.76–0.89 for all stations except the low-latitude station Tokyo (0.35). The most pronounced correlation has been revealed between the cutoff rigidities that exhibited a very large variation of 1–1.5 GV during the magnetic storm, and the Dst index.
cosmic rays, cutoff rigidity, magnetic storms, magnetospheric model
ВВЕДЕНИЕ
Планетарное распределение жесткости геомагнитного обрезания (ЖГО) космических лучей (КЛ), т. е. самой низкой жесткости, которой должна обладать частица, чтобы проникнуть в заданную точку в магнитосфере, определяется пространственной структурой и интенсивностью магнитосферного магнитного поля. Динамические процессы в магнитосфере приводят к вариациям магнитосферного магнитного поля и, следовательно, к вариациям КЛ, которые связаны с изменениями ЖГО [Dorman et al., 1973; Flueckiger et al., 1986; Smart et al., 2000].
Проблема влияния возмущений геомагнитного поля на ЖГО наиболее детально рассмотрена в работах [Shea et al., 1965, 1976; Dorman et al., 1973; Flueckiger et al., 1983; Тясто, 1991; Smart et al., 2000; Kress et al., 2004; Belov et al., 2005; Tyasto et al., 2008; Kudela et al., 2008].
Для определения ЖГО обычно используется метод прослеживания траекторий частиц КЛ в магнитном поле магнитосферы, описываемой моделью, в которой учитываются магнитное поле внутренних источников и поля от систем электрических токов в магнитосфере.
В большинстве статей рассматриваются изменения ЖГО во время умеренных геомагнитных возмущений. Оценки временных изменений ЖГО и асимптотических направлений для отдельных наземных станций, полученные для разных моделей магнитосферного магнитного поля во время сильных магнитных возмущений, весьма существенно различаются [Kudela et al., 2008]. Сильные магнитные бури являются относительно редкими явлениями, следовательно, данные для очень возмущенных периодов составляют малую часть данных, используемых для создания эмпирических моделей магнитного поля магнитосферы. Это объясняет, почему модели магнитосферного магнитного поля для сильно возмущенной магнитосферы [Tsyganenko, 2002a, b; Tsyganenko et al., 2003; Tsyganenko, Sitnov, 2005] были разработаны позднее, чем модели для умерен-ных бурь.
Солнечные вспышки и эруптивные выбросы на-блюдались в конце октября - начале ноября 2004 г. Повышенная солнечная активность была связана с прохождением по диску Солнца двух групп пятен - активных областей (АО) 10691 и 10696 [Ермолаев и др., 2008]. Число и мощность вспышек были не очень высоки, тем не менее магнитная буря 7-13 ноября 2004 г. была одной из самых сильных за весь период наблюдений Dst-индекса. Буря, по-видимому, была вызвана межпланетным корональным выбросом массы с сильным магнитным полем южного направления (~45 нТл). Эта магнитная буря состояла из двух бурь, следующих одна за другой. Минимум Dst первой бури (Dst= −373 нТл) приходится на 06 UT 8 ноября, второй бури (Dst= −295 нТл) - на ~10 UT 10 ноября 2004 г. Начальная фаза второй бури наблюдалась на фазе восстановления первой бури, когда Dst-вариация была еще достаточно сильной (~100 нТл).
Целью нашей работы является исследование из-менений проникновения КЛ во внутреннюю магнитосферу, вызванных возмущением магнитного поля во время бури 7-14 ноября 2004 г. Мы использовали модель Цыганенко, которая описывает магнитосферное магнитное поле в условиях сильной возмущенности [Tsyganenko, 2002a, b; Tsyganenko et al., 2003]. Для расчета ЖГО методом СГС были взяты данные наблюдений КЛ мировой сети нейтронных мониторов [Dvornikov, Sdobnov, 2002].
____________________________________________________________________________________________
* На английском языке статья опубликована в журнале "AdvancedinSpaceResearch". 2013. V. 51, N7. P. 1230-1237. На русском языке публикуется впервые по лицензии издательства IOPscience.
1. Belov A., Baisultanova L., Eroshenko E., et al. Magnetospheric effects in cosmic rays during the unique magnetic storm on November 2003. J. Geophys. Res. 2005, vol. 110, pp. A09S20. DOI:https://doi.org/10.1029/2005JA011067.
2. Cooke D.J., Humble J.E., Shea M.A., et al. On cosmic ray cutoff terminology. Nuovo Cimento 1991, vol. 14, pp. 213-224.
3. Dorman L.I., Guschina R.G., Shea M.A, Smart D.F. Effective cosmic ray cutoff rigidities. Мoscow, Nauka Publ., 1972. 280 p. (in Russian).
4. Ermolaev et al. One year later: Solar, heliospheric and magnetospheric disturbances of November, 2004. Geomagnetizm i Aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 2005, vol. 45, no. 1. p. 23 (in Russian).
5. Dorman L.I. Cosmic Rays in Magnetospheres of the Earth and other Planets. Springer, 2009. 779 p.
6. Dorman L.I., Smirnov V.S., Tyasto M.I. Cosmic rays in the Earth´s magnetic field. Washington, NASA, Springfield, VA. 1971. 423 p.
7. Dvornikov V.E., Sdobnov V. E. Variations in the rigidity spectrum and anisotropy cosmic rays at the period of Forbush effect on the 12-25 July 1982. Intern. Journal Geomagn. Aeron. 2002, vol. 3, pp. 217-223.
8. Ermolaev U.I., Zelenyi L.M., Zastenker V.D. et al. Magnetic storm of November, 2004: Solar, interplanetary, and magnetospheric disturbances. J. Atmosph. Solar-Terr. Phys. 2008, vol. 70, pp. 334-341.
9. Flueckiger E.O., Smart D.F., Shea M.A. The effect of local perturbations of the geomagnetic field on cosmic ray cutoff rigidities at Jung-fraujoch and Kiel. J. Geophys. Res. 1983, vol. 88, no. A9, pp. 6961-6968.
10. Flueckiger E.O., Smart D.F., Shea M.A. A procedure for estimating the changes in cosmic ray cutoff rigidities and asymptotic directions at low and middle latitudes during periods of enhanced geomagnetic activity. J. Geophys. Res. 1986, vol. 91, no. A7, pp. 7925-7930.
11. Greenspan M., Hamilton D.C. A test of the Dessler-Parker-Sckopke relation during magnetic storms. J. Geophys. Res. 2000. vol. 105. pp. 5419-5430.
12. Khabarova O.V, Rudenchik E.A. On the peculiarities of changes of solar wind and geomagnetic field oscillation regime before the magnetic storms - Wavelet-analysis results. Electronic journal of Russian Academy of Science. The Earth Sciences. 2003, no 1(21). URL: http://www.scgis.ru/russian/ cp1251/h_dgggms/1-2003/screp-5.pdf.
13. Kress B.T., Hudson M.K., Perry K.L., Slocum P.L. Dynamic modeling of geomagnetic cutoff for the 23-24 November 2001 solar energetic particle event. Geophys. Res. Lett. 2004, vol. 31, iss. 4, CiteID L04808. DOI:https://doi.org/10.1029/2003GL018599.
14. Kudela K., Bucik R., Bobik P. On transmissivity of low energy cosmic rays in the disturbed magnetosphere. J. Adv. Space Res. 2008, vol. 42, no. 7, pp. 1300-1306, DOI: 10.1016/ j.asr.2007.09.033.
15. Kuznetsov S.N., Yushkov B.Y., Kassovicova J., et al. Changes of geomagnetic transmissivity in the disturbed magnetosphere: ground-based and CORONAS-F observations. Czechoslovak J. of Phys. 2006, vol. 56, no. 6, pp. 629-639.
16. Maltsev Y.P. Points of controversy in the study of magnetic storms // Space Sci. Rev. 2004. vol. 110, no. 3-4. pp. 227-277.
17. Maltsev Y.P., Ostapenko A. A. Azimuthally asymmetric ring current as a function of Dst and solar wind conditions. Ann. Geophys. 2004, vol. 22, pp. 2989-2996.
18. McCracken K.G., Rao U.R., Shea M.A. The trajectories of cosmic rays in a high degree simulation of the geomagnetic field, M.I.T. Tech. Rep. 77, Lab. for Nucl.Sci. and Eng., Mass. Inst. of Technol., Cambridge, 1962.
19. Pchelkin V.V., Pchelkina E.V., Golovchanskaya I.V. Anomalous behavior of cutoff rigidity variation in the region of the Mexico station during a magnetic superstorm. Ann. Geophys. 2007, vol. 25, pp. 1721-1725.
20. Smart D.F, Shea M.A., Flueckiger E.O. Magnetospheric models and trajectory computations. Space Sci. Rev. 2000, vol. 93, pp. 271-298.
21. Shea M.A., Smart D.F., and McCracken K.G. A study of vertical cutoff rigidities using sixth degree simulations of the geomagnetic field. J. Geophys. Res. 1965, vol. 70, no. 17, pp. 4117-4130.
22. Shea M.A., Smart D.F., Carmichael H. Summary of Cutoff Rigidities Calculated with the International Geomagnetic Reference Field for Various Epochs, Rep. AFGL-TR-76-0115, Environ. Res. Pap. 561, Air Force Geophys. Lab., Bedford, Mass. 1976.
23. Tsyganenko N.A. A model of the near magnetosphere with a dawn-dusk asymmetry. 1. Mathematical structure. J. Geophys. Res. 2002a, vol. 107, no. A8, pp. 1179. DOI: 10.1029/ 2001JA000219, SMP12(1-17).
24. Tsyganenko N.A. A model of the near magnetosphere with a dawn-dusk asymmetry. 2. Parameterization and fitting to observations. J. Geophys. Res. 2002b, vol. 107, no. A8, pp. 1176. DOI:https://doi.org/10.1029/2001JA000220, SMP10(1-17).
25. Tsyganenko N.A., Singer H.J., Kasper J.C. Storm-time distortion of the inner magnetosphere; How severe can it get? J. Geophys. Res. 2003, vol. 108, no. A5, pp. 1209. DOI: 10.1029/ 2002JA009808.
26. Tsyganenko N.A., Sitnov M.I. Modeling the dynamics of the inner magnetosphere during strong geomagnetic storms J. Geophys. Res. 2005, vol. 110, pp. A03208. DOI: 10.1029/ 2004JA010798.
27. Tyasto M.I., Cosmic ray cutoff rigidity changes under the influence of ring currents of various configurations. Geomagnetizm i Aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 1991, vol. 31, no. 1, pp. 49-52 (in Russian).
28. Tyasto M.I., Danilova O.A., Dorman L.I., et al. On the possibility to check the magnetosphere model by CR: The strong geomagnetic storm in November 2003. Adv in Space Res. 2008, vol. 42, no. 9, pp. 1556-1563.
