Москва, Россия
Троицк, Россия
Троицк, Россия
Москва, Россия
Москва, Россия
Москва, Россия
УДК 53 Физика
По материалам базы данных форбуш-эффектов и межпланетных возмущений с использованием статистических методов и большого количества экспериментального материала сравнивались рекуррентные (вызванные высокоскоростными потоками плазмы из корональных дыр) и спорадические (связанные с корональными выбросами массы) форбуш-понижения (ФП) в солнечных циклах 23 и 24, максимумах этих циклов и минимуме между ними. Результаты показали следующее: 1) в количестве и величине ФП проявляется солнечная цикличность; 2) распределения параметров ФП и солнечного ветра различаются для рекуррентных и спорадических событий; 3) в максимуме цикла 23 преобладают спорадические ФП, в минимуме между циклами — рекуррентные ФП; 4) средние значения параметров ФП выше для спорадических, чем для рекуррентных событий, причем разница значений существенно больше в максимумах циклов. Средняя величина ФП для спорадических событий увеличивается от минимума к максимумам; для рекуррентных — почти не зависит от фазы солнечной активности, что, по-видимому, связано с малым изменением основных характеристик и геоэффективности низкоширотных корональных дыр. По материалам базы данных форбуш-эффектов и межпланетных возмущений с использованием статистических методов и большого количества экспериментального материала сравнивались рекуррентные (вызванные высокоскоростными потоками плазмы из корональных дыр) и спорадические (связанные с корональными выбросами массы) форбуш-понижения (ФП) в солнечных циклах 23 и 24, максимумах этих циклов и минимуме между ними. Результаты показали следующее: 1) в количестве и величине ФП проявляется солнечная цикличность; 2) распределения параметров ФП и солнечного ветра различаются для рекуррентных и спорадических событий; 3) в максимуме цикла 23 преобладают спорадические ФП, в минимуме между циклами — рекуррентные ФП; 4) средние значения параметров ФП выше для спорадических, чем для рекуррентных событий, причем разница значений существенно больше в максимумах циклов. Средняя величина ФП для спорадических событий увеличивается от минимума к максимумам; для рекуррентных — почти не зависит от фазы солнечной активности, что, по-видимому, связано с малым изменением основных характеристик и геоэффективности низкоширотных корональных дыр. Средняя скорость солнечного ветра выше для рекуррентных ФП, чем для спорадических, как в максимумах, так и в минимуме солнечной активности, причем для спорадических ФП скорость солнечного ветра выше в максимумах циклов, а для рекуррентных — в минимуме между циклами. Магнитное поле в неоднородностях, связанных со спорадическими ФП, значительно слабее в текущем цикле, чем в предыдущем, что, возможно, является следствием аномального расширения корональных выбросов массы, вызванного низким давлением невозмущенного солнечного ветра; в максимумах солнечных циклов средняя индукция магнитного поля выше для спорадических событий, чем для рекуррентных. Для обоих типов событий длительность главной фазы ФП в максимумах циклов 23 и 24 существенно меньше, чем в минимуме между циклами; в максимуме цикла 23 спорадические ФП развиваются существенно быстрее, чем рекуррентные.
форбуш-понижение, солнечный ветер, межпланетное магнитное поле, корональные выбросы массы, корональные дыры, солнечный цикл, статистический анализ
ВВЕДЕНИЕ
Форбуш-понижением (ФП) называют изменение плотности и анизотропии космических лучей (КЛ) в крупномасштабных возмущениях солнечного ветра. Во время ФП интенсивность КЛ относительно быстро убывает, а за понижением, как правило, следует более медленное восстановление [Дорман, 1963; Iucci et al., 1979; Forbush, 1937; Lockwood, 1971]. В зависимости от типа возмущений межпланетной среды ФП делятся на две группы: спорадические и рекуррентные. Первые вызваны межпланетными возмущениями (interplanetary coronal mass ejection, ICME), связанными с корональными выбросами массы (coronal mass ejection, CME) [Cane, 2000]; вторые — высокоскоростными потоками плазмы из корональных дыр (coronal hole, CH), вращающихся вместе с Солнцем [Richardson, 2004]. Зависимость характеристик ФП от параметров межпланетных неоднородностей существенно различается для рекуррентных и спорадических событий [Belov, 2009].
Влияние разных типов неоднородностей солнечного ветра на модуляцию КЛ исследовалось во многих работах [Belov et al., 2014; Badruddin, Kumar, 2016; Chertok et al., 2013; Gopalswamy, 2010; Kryakunova et al., 2013]. Наличие большого количества экспериментального материала позволяет применять для исследования этих зависимостей статистические методы [Абунин и др., 2012; Мелкумян и др., 2018а; Bhaskar et al., 2016; Dumbović et al., 2012, 2016]. Абунин и др. [2012] проанализировали сотни ФП, разделенных на две группы: SSC-группа — события с внезапным началом магнитной бури (sudden storm commencement); no-SSC-группа — события с постепенным началом. Предполагалось, что события в SSC-группе в основном вызваны ICMEs, в то время как события в no-SSC-группе по большей части связаны с высокоскоростными потоками из CHs. Было показано, что события в двух группах значительно отличаются друг от друга: ФП в SSC-группе характеризуются гораздо более резким и глубоким уменьшением плотности КЛ, чем ФП в no-SSC-группе, имеющие более симметричный и гладкий временной профиль. Dumbović et al. [2012] рассчитывали модели линейной регрессии и коэффициенты корреляции между величиной ФП, скоростью солнечного ветра и интенсивностью межпланетного магнитного поля (ММП), а также временные характеристики событий (время между началом ФП и началом возрастания ММП; время между минимумом интенсивности КЛ и максимумом ММП и пр.) Анализировались различные группы событий: связанные и не связанные с ударной волной; рекуррентные, обусловленные областями коронального взаимодействия (coronal interaction region, CIR), и спорадические, вызванные межпланетными возмущениями (ICME); смешанные события. Было показано, что время между началом ФП и началом возрастания ММП одинаково для всех исследуемых групп событий; ФП в группе CIR характеризуются большим временным интервалом между минимумом интенсивности КЛ и максимумом ММП, чем в группе ICME.
Результаты исследования количества и величины ФП на разных фазах солнечной активности также представлены во многих работах [Мелкумян и др., 2018б; Belov et al., 2005; Belov, 2009; Lingri at al., 2016; Storini et al., 1997; Thakur, 2015]. Сравнение количества ФП разной величины (больше 3 % и больше 5 %) для солнечных циклов с 19-го по 23-й проводилось в работе [Belov, 2009]. В частности, было получено, что большие ФП наблюдались в цикле 23 чаще, чем в любом другом цикле исследуемого периода; они очень часто происходили сериями, и каждая серия была связана со всплеском солнечной активности. В работе [Thakur, 2015] были представлены результаты исследования статистической связи параметров ФП, вызванных магнитными облаками (magnetic clouds, MCs), с параметрами солнечного ветра в 23-м и 24-м солнечных циклах. Было показано, что 31 % ФП в цикле 23 и только 17 % ФП в цикле 24 имели величину больше 3 %; 22 % MCs в цикле 23 и только 10 % MCs в цикле 24 имели максимальную магнитную индукцию больше 20 нТл. Таким образом, MCs в цикле 24 имеют более слабое магнитное поле, чем в цикле 23, и ожидаемо вызывают более слабые ФП. Анализ ФП достаточно большой величины (больше 2 % для жесткости 10 ГВ) в период глубокого минимума между циклами 23 и 24, а также на фазе возрастания солнечной активности и в максимуме цикла 24 проводился в работе [Lingri et al., 2016]. Было показано, что ФП величиной больше 2 % ассоциируются с быстрыми ICMEs и ударными волнами, которые они создают; фаза возрастания 24-го цикла характеризуется достаточно большим количеством ФП, но среди них нет крупных событий.
В настоящей работе мы не только сравниваем ФП, связанные с двумя различными типами солнечных источников (CH и CME), но и проводим сравнительный анализ рекуррентных и спорадических ФП в разных солнечных циклах и на различных фазах солнечной активности. Физический смысл любого явления может быть выявлен тем надежнее, чем больше сведений, в том числе и статистических, имеется об этом явлении. Несмотря на длительное изучение ФП и большое количество статей о них, надежной статистической информации о ФП не так много. Цель настоящего исследования — получение, накопление и уточнение таких сведений. В нашу задачу входило: сравнение параметров форбуш-понижений и вызвавших их крупномасштабных возмущений солнечного ветра для двух групп событий (связанных с корональными дырами и с корональными выбросами массы) на разных фазах солнечной активности в двух последних солнечных циклах. Достаточно большой объем исходных данных позволил использовать статистические методы для решения этой задачи.
1. Абунин А.А., Абунина М.А., Белов А.В. и др. Форбуш-эффекты с внезапным и постепенным началом // Геомагнетизм и аэрономия. 2012. Т. 52, № 3. С. 313-320.
2. Белов А.В., Ерошенко Е.А., Янке Г.В. и др. Метод глобальной съемки для мировой сети нейтронных мониторов // Геомагнетизм и аэрономия. 2018. Т. 58, № 3. С. 374-389. DOI:https://doi.org/10.7868/S0016794018030082.
3. Дорман Л.И. Вариации космических лучей и исследование космоса. М.: АН СССР, 1963. 1027 с.
4. Мелкумян А.А., Белов А.В., Абунина М.А. и др. Основные свойства форбуш-эффектов, связанных с высокоскоростными потоками из корональных дыр // Геомагнетизм и аэрономия. 2018а. Т. 58, № 2. С. 163-176.
5. Мелкумян А.А., Белов А.В., Абунина М.А. и др. Долгопериодные изменения количества и величины форбуш-эффектов // Геомагнетизм и аэрономия. 2018б. Т. 58, № 5. С. 638-647.
6. Мелкумян А.А., Белов А.В., Абунина М.А. и др. Распределение форбуш-эффектов по величине// Геомагнетизм и аэрономия. 2018в. Т. 58, № 6. С. 845-852.
7. Badruddin, Kumar A. Study of the cosmic-ray modulation during the passage of ICMEs and CIRs // Solar Phys. 2016. V. 291, N 2. P. 559-580. DOI:https://doi.org/10.1007/s11207-015-0843-4.
8. Belov A.V. Forbush effects and their connection with solar, interplanetary and geomagnetic phenomena // Proc. IAU Symposium. 2009. N 257. P. 119-130.
9. Belov A.V., Buetikofer R., Eroshenko E.A., et al. Frequency of Forbush effects as an index of solar activity // Proc. 29th ICRC. 2005. V. 1. P. 375-378.
10. Belov A., Abunin A., Abunina M., et al. Coronal mass ejections and non-recurrent Forbush decreases // Solar Phys. 2014. V. 289, N 10. P. 3949-3960. DOI:https://doi.org/10.1007/s11207-014-0534-6.
11. Belov A.V., Eroshenko E.A., Yanke V.G., et al. The Global Survey Method applied to ground-level cosmic ray measurements // Solar Phys. 2018. V. 293, N 68. DOI:https://doi.org/10.1007/s11207-018-1277-6.
12. Bhaskar A., Subramanian P., Vichare G. Relative contribution of the magnetic field barrier and solar wind speed in ICME-associated Forbush decreases // Astrophys. J. 2016. V. 828, N 2, article id. 104. 8 p. DOI:https://doi.org/10.3847/0004-637X/828/2/104.
13. Cane H.V. CMEs and Forbush decreases // Space Sci. Rev. 2000. V. 93, N 1-2. P. 55-77.
14. Chertok I.M., Abunin A.A., Belov A.V., Grechnev V.V. Dependence of Forbush-decrease characteristics on parameters of solar eruptions // J. Phys. Conf. Ser. 2013. V. 409, N 1. article id. 012150. DOI:https://doi.org/10.1088/1742-6596/409/1/012150.
15. Corder G.W., Foreman D.I. Nonparametric Statistics for Non-Statisticians. New Jersey: John Willey & Sons, 2009. 264 p.
16. Dumbović М., Vršnak B., Čalogović J., Župan R. Cosmic ray modulation by different types of solar wind disturbances // Astron. Astrophys. 2012. V. 538, A28. DOI:https://doi.org/10.1051/0004-6361/201117710.
17. Dumbović М., Vršnak B., Čalogović J. Forbush decrease prediction based on remote solar observations // Solar Phys. 2016. V. 291, N 1. P. 285-302. DOI:https://doi.org/10.1134/s11207-015-0819-4.
18. Forbush S.E. On the effects in the cosmic-ray intensity observed during magnetic storms // Phys. Rev. 1937. V. 51. P. 1108-1109.
19. Gopalswamy N. Coronal mass ejections: a summary of recent results // Proc. 20th National Solar Physics Meeting, Papradno, Slovakia. 2010. P. 108-130.
20. Gopalswamy N., Akiyama S., Yashiro S., et al. The mild space weather in solar cycle 24 // ArXiv. URL: https://arxiv.org/abs/1508.01603 (дата обращения 9 ноября 2018 г.).
21. Iucci N., Parisi M., Storini M., et al. Forbush decreases: origin and development in the interplanetary space // Nuovo Cimento C. 1979. V. 2 C. P. 1-52. DOI:https://doi.org/10.1007/BF02507712.
22. Kryakunova O., Tsepakina I., Nikolaevskiy N., et al. Influenca of high-speed streams from coronal holes on cosmic ray intensity in 2007 // J. Phys. Conf. Ser. 2013. V. 409, N 1, article id. 012181. DOI:https://doi.org/10.1088/1742-6596/409/1/012181.
23. Lingri D., Mavromichalaki H., Belov A., et al. Solar activity parameters and associated Forbush decreases during the minimum between cycles 23 and 24 and the ascending phase of cycle 24 // Solar Phys. 2016. V. 291, N 3. P. 1025-1041. DOI:https://doi.org/10.1007/s11207-016-0863-8.
24. Lockwood J.A. Forbush decreases in the cosmic radiation // Space Sci. Rev. 1971. V. 12, N 5. P. 658-715. DOI: 10.1007/ BF00173346.
25. Richardson I.G. Energetic particles and corotating interaction regions in the solar wind // Space Sci. Rev. 2004. V. 111, N 3. P. 267-376. DOI:https://doi.org/10.1023/B:SPAC.0000032689.62830.3e.
26. Richardson I., Cane H. Near-Earth interplanetary coronal mass ejections during solar cycle 23 (1996-2009): Catalog and summary of properties // Solar Phys. 2010. V. 264, N 1. P. 189-237. DOI:https://doi.org/10.1007/s11207-010-9568-6.
27. Storini M., Massetti S., Antalova A. To forecast huge Forbush decreases during solar activity cycles // Proc. 25th ICRC. Durban, South Africa, 1997. V. 1, P. 409-412.
28. Thakur N. Smaller Forbush decreases in solar cycle 24: Effect of the weak CME field strength? // American Geophysical Union, Fall Meeting 2015. id. SH23A-2428.
29. Tlatov A., Vasil’eva V., Tavastsherna K. Coronal holes in solar cycles 21 to 23 // Solar Phys. 2014. V. 289, N 4. P. 1349-1358. DOI:https://doi.org/10.1007/s11207-013-0387-4.
30. URL: http://spaceweather.izmiran.ru/eng/dbs.html (дата обращения 9 октября 2018 г.).
31. URL: http://www.swpc.noaa.gov/ftpdir/lists/xray (дата обращения 9 октября 2018 г.).
32. URL: http://omniweb.gsfc.nasa.gov/ow.html (дата обращения 9 октября 2018 г.).
33. URL: http://www.srl.caltech.edu/ACE/ASC/DATA/level3/ icmetable2.htm (дата обращения 9 октября 2018 г.).
34. URL: http://www.solen.info/solar/coronal_holes.html (дата обращения 9 октября 2018 г.).
35. URL: https://cdaw.gsfc.nasa.gov/CME_list (дата обращения 9 октября 2018 г.).
36. URL: http://cr0.izmiran.ru/ThankYou (дата обращения 9 октября 2018 г.).
37. URL: http://www.nmdb.eu (дата обращения 9 октября 2018 г.).
