Solnechno-Zemnaya Fizika Solnechno-Zemnaya Fizika Солнечно-земная физика 2712-9640 57071 10.12737/szf-93202302 Результаты исследований Results of current research Результаты исследований Role of alpha particles in penetration of solar wind diamagnetic structures into the magnetosphere Роль альфа-частиц в проникновении диамагнитных структур солнечного ветра внутрь магнитосферы Еселевич Виктор Григорьевич Eselevich Viktor Grigoryevich esel@iszf.irk.ru

доктор физико-математических наук;

doctor of physical and mathematical sciences;

 Пархомов Владимир Александрович Parhomov Vladimir Aleksandrovich pekines_41@mail.ru

доктор физико-математических наук;

doctor of physical and mathematical sciences;

 Институт солнечно-земной физики СО РАН Иркутск Россия Institute of Solar Terrestrial Physics SB RAS Irkutsk Russian Federation Байкальский государственный университет Иркутск Россия Baikal state university Irkutsk Russian Federation 29 09 2023 29 09 2023 9 3 12 22 05 02 2023 12 05 2023 https://zh-szf.ru/en/nauka/article/57071/view

Приводятся результаты исследований, показывающие наличие одновременных скачков концентрации протонов (N2/N1)p и альфа-частиц (N2/N1)α на границах диамагнитных структур (ДС) различных масштабов как в квазистационарном медленном, так и в спорадическом солнечном ветре (СВ). Для ДС квазистационарного медленного СВ, связанного с поясом или цепочками стримеров, в рамках рассмотренной в статье статистики имеет место единая линейная зависимость (N2/N1)α от (N2/N1)p. Это означает, что скачки концентрации протонов и альфа-частиц имеют единую физическую природу и обусловливаются диамагнетизмом на границах ДС квазистационарных потоков СВ различных типов. На фронте межпланетных ударных волн (МУВ) скачок (N2/N1)α примерно в два раза превышает скачок (N2/N1)p, что отражает особенности коллективного бесстолкновительного нагрева плазмы во фронтах МУВ и требует дальнейших дополнительных исследований. Максимальное превышение (почти в три раза) относительным возрастанием концентрации альфа-частиц (N2/N1)α относительного возрастания концентрации протонов (N2/N1)p наблюдается в эруптивных протуберанцах. Отклик в таких явлениях, как полярные сияния, потоки протонов и альфа-частиц, геомагнитное поле, геомагнитные пульсации, подобен при воздействии на магнитосферу ДС различной природы и МУВ, например зарегистрированной 23.04.2002 на расстоянии 1 а. е. от центра Солнца. Обнаруженные особенности магнитосферного отклика на контакт с ДС различной природы и МУВ можно интерпретировать как импульсное прохождение вещества ДС (плазмоида) в магнитосферу. Результаты исследований скачков (N2/N1)α могут быть использованы как дополнительный аргумент при идентификации случаев импульсного проникновения ДС внутрь магнитосферы и при исследовании физической природы этих проникновений.

We present the results of studies showing the presence of simultaneous jumps in the density of protons (N2/N1)p and alpha particles (N2/N1)α at the boundaries of diamagnetic structures (DS) of various types both in the quasi-stationary slow solar wind (SW) and in sporadic SW. For DS of quasi-stationary slow SW, associated with streamer belt or chains, in the statistics considered in the paper there is a single linear dependence of (N2/N1)α on (N2/N1)p. This means that these jumps have the same physical nature and are related to diamagnetism at the boundaries of DS of quasi-stationary SW streams of various types. At the front of interplanetary shock waves (ISW), the (N2/N1)α jump is approximately twice as large as the (N2/N1)p jump. This reflects the features of the collective collisionless plasma heating at ISW fronts and requires further studies. A maximum excess (almost 3 times) of the increase in the alpha-particle density (N2/N1)α over the increase in the proton density (N2/N1)p is observed in eruptive prominences. The magnetospheric response in such phenomena as auroras, proton and alpha particle fluxes, geomagnetic field, and geomagnetic pulsations is similar under the influence of DS of various types and ISW. The detected features of the magnetospheric response to the contact with DS of different types and ISW can be interpreted as impulsive passage of the DS matter (plasmoid) into the magnetosphere. The results of studies of the (N2/N1)α jumps can be used as an additional important argument in identifying cases of impulsive penetration of DS into the magnetosphere and in examining the physical nature of these penetrations.

 медленный солнечный ветер спорадический солнечный ветер отношение концентрации альфа-частиц к концентрации протонов магнитосферный отклик на воздействие ДС и МУВ slow solar wind sporadic solar wind ratio of alpha particles to protons magnetospheric response to DS and ISW Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России (В.Г. Еселевич — базовая программа ФНИ II.16), а также в рамках госбюджетной темы ФГБОУ ВО «БГУ» на 2021–2022 гг. «Системный анализ и методы обработки информации» (В.А. Пархомов) The work was performed with financial support from the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (V.G. Eselevich — Basic Research Program II.16) and as part of the state-funded research topic of BSU for 2021–2022 "System analysis and methods of information processing" (V.A. Parkhomov)

Бородкова Н.Л. Воздействие больших и резких изменений динамического давления солнечного ветра на магнитосферу Земли. Анализ нескольких событий. Космические исследования. 2010. Т. 48, № 1. С. 1-15. Belian R.D., Gisler G.R., Cayton T.E., Christensen R.A. High-Z energetic particles at geosynchronous orbit during the great solar proton event series of October 1989. J. Geophys. Res. 1992, vol. 97, p.16897. Веселовский И.С., Ермолаев Ю.И. Ионные составляющие солнечного ветра. Плазменная гелиофизика. Т. 1. M.: Физматлит, 2008. С. 313- 325. Borrini G., Wilcox J.M., Gosling J.T., Bame S.J., Feldman W.C. Solar wind helium and hydrogen structure near the heliospheric current sheet; a signal of coronal streamer at 1 AU. J. Geophys. Res. 1981, vol. 86, p. 4565. Еселевич В.Г. Диамагнитные структуры - основа квазистационарного медленного солнечного ветра. Солнечно-земная физика. 2019. Т. 5, № 3. С. 36-49. DOI: 10.12737/szf-53201904. Borodkova N.L. The impact of large and abrupt changes in the dynamic pressure of wind energy on the Earth’s magnetosphere. Analysis of several events. Cosmic Research. 2010, vol. 48, no. 1, pp. 1-15. Еселевич М.В., Еселевич В.Г. Проявление лучевой структуры пояса корональных стримеров в виде резких пиков концентрации плазмы солнечного ветра на орбите Земли. Геомагнетизм и аэрономия. 2006а. Т. 46, № 6. С. 811-824. Chen J., Fritz T.A., Sheldon R.B., Spence H.E., Spjeldvik W.N., Fennell J.F., Livi S., et al. Cusp energetic particle events: Implications for a major acceleration region of the magnetosphere. J. Geophys. Res. 1998, vol. 103, iss. A1, pp. 69-78. DOI: 10.1029/97JA02246. Еселевич М.В., Еселевич В.Г. Некоторые особенности пояса корональных стримеров в солнечной короне и на орбите Земли. Астрономический журнал. 2006б. Т. 83, № 9. С. 837-852. Dmitriev A.V., Suvorova A.V. Atmospheric effects of magnetosheath jets. Atmosphere. 2023, vol. 14, no. 45, pp.1-15. DOI: 10.3390/atmos14010045. Молчанов О.А. Низкочастотные волны и индуцированные излучения в околоземной плазме. М.: Наука, 1985. 223 с. Echim M.M., Lemaire J.F. Laboratory and numerical simulations of the impulsive penetration mechanism. Space Sci. Rev. 2000, vol. 92, pp. 566-601. Пархомов В.А., Бородкова Н.Л., Еселевич В.Г. и др. Особенности воздействия диамагнитной структуры солнечного ветра на магнитосферу Земли. Солнечно-земная физика. 2017. Т. 3, № 4. C. 47-62. DOI: 10.12737/szf-3420170544. Eselevich V.G. Diamagnetic structure as a basic of quasi-stationary slow solar wind. Solar-Terr. Phys. 2019, vol. 5, iss. 3, pp. 29-41. DOI: 10.12737/stp-53201904. Пархомов В.А., Еселевич В.Г., Еселевич М.В. и др. Магнитосферный отклик на взаимодействие с диамагнитной структурой спорадического солнечного ветра. Солнечно-земная физика. 2021. Т. 7, № 3. DOI: 10.12737/szf-73202102. Eselevich M.V., Eselevich V.G., Some features of the streamer belt in the solar corona and at the Earth’s orbit. Astron. Rep. 2006a, vol. 50, no. 9, pp.748-761. Пархомов В.А., Еселевич В.Г., Еселевич М.В. Геоэффективность эруптивного протуберанца. System Analysis & Mathematical Modeling. 2022. Т. 4, № 2. С. 123-151. Eselevich M.V., Eselevich V.G. Manifestations of the ray structure of the coronal streamer belt in the form of sharp peaks of the solar wind plasma density in the Earth’s orbit. Geomagnetism and Aeronomy. 2006b, vol. 46, iss. 6, pp.770-782. Сапунова О.В., Бородкова Н.Л., Застенкер Г.Н., Ермолаев Ю.И. Поведение ионов Не++ на фронте межпланетной ударной волны. Геомагнетизм и аэрономия. 2020. Т. 60, № 6. С. 720-726. DOI: 10.31857/S0016794020060127. Eselevich M.V., Eselevich V.G. The double structure of the coronal streamer belt. Solar Phys. 2006c, vol. 235, iss. 1-2, pp. 331-344. Belian R.D., Gisler G.R., Cayton T.E., Christensen R.A. High-Z energetic particles at geosynchronous orbit during the great solar proton event series of October 1989. J. Geophys. Res. 1992. Vol. 97. P. 16897. Gosling J.T., Asbridge J.R., Bame S.J., Paschmann G., Sckopke N. Observation of two distinct population of bow shock ions in the upstream solar wind. Geophys. Res. Lett. 1978, vol. 5, pp. 957-960. Borrini G., Wilcox J.M., Gosling J.T., et al. Solar wind helium and hydrogen structure near the heliospheric current sheet; a signal of coronal streamer at 1 AU. J. Geophys. Res. 1981. Vol. 86. P. 4565. Guglielmi A.V., Potapov A.S. Frequency-modulated ultra-low-frequency wave in near-Earth space. Physics-Uspekhi. 2021, vol. 64, iss. 5, pp. 452-467. DOI: 10.3367/UFNe. 2020.06.038777. Chen J., Fritz T.A., Sheldon R.B., et al. Cusp energetic particle events: Implications for a major acceleration region of the magnetosphere. J. Geophys. Res. 1998. Vol. 103, iss. A1. P. 69-78. DOI: 10.1029/97JA02246. Kangas J., Guglielmi A., Pokhotelov O. Morphology and physics of short-period magnetic pulsations (A review). Space Sci. Rev. 1998, vol. 83, pp. 435-512. DOI: 10.1023/A:1005 063911643. Dmitriev A.V., Suvorova A.V. Atmospheric effects of magnetosheath jets. Atmosphere. 2023. Vol. 14, no. 45. P. 1-15. DOI: 10.3390/atmos14010045. Molchanov O.A. Nizkochastotnye volny i indutsirovannye izlucheniya v okolozemnoi plazme [Low-frequency waves and induced radiation in near-Earth plasma]. Moscow, Nauka Publ., 1985, 223 p. (In Russian). Echim M.M., Lemaire J.F. Laboratory and numerical simulations of the impulsive penetration mechanism. Space Sci. Rev. 2000. Vol. 92. Р. 566-601. Parkhomov V.A., Borodkova N.L., Eselevich V.G., Eselevich M.V., Dmitriev A.V., Chilikin V.E. Peculiarities of the influence of the diamagnetic structure of the solar wind on Earth’s magnetosphere. Solar-Terr. Phys. 2017, vol. 3, iss. 4, pp. 44-57. DOI: 10.12737/stp-34201705. Eselevich M.V., Eselevich V.G. The double structure of the coronal streamer belt. Solar Phys. 2006. Vol. 235, iss. 1-2. P. 331-344. Parkhomov V.A., Borodkova N.L., Eselevich V.G., Eselevich M.V., Dmitriev A.V., Chilikin V.E. Solar wind diamagnetic structures as a source of substorm-like disturbances. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2018, vol. 181, pp. 55-67. DOI: 10.1016/j.jastp.2018.10.010. Gosling J.T., Asbridge J.R., Bame S.J., et al. Observation of two distinct population of bow shock ions in the upstream solar wind. Geophys. Res. Lett. 1978. Vol. 5. P. 957-960. Parkhomov V.A., Eselevich V.G., Eselevich M.V., Dmitriev A.V., Suvorova A.V., Khomutov S.Yu., Tsegmed B., Tero Raita. Magnetospheric response to the interaction with the sporadic solar wind diamagnetic structure. Solar-Terr. Phys. 2021, vol. 7, iss. 3, pp. 11-28. DOI: 10.12737/stp-73202102. Guglielmi A.V., Potapov A.S. Frequency-modulated ultra-low-frequency wave in near-Earth space. Physics-Uspekhi. 2021. Vol. 64, iss. 5. P. 452-467. DOI: 10.3367/UFNe.2020.06.038777. Parkhomov V.A., Eselevich V.G., Eselevich M.V. Geoeffectiveness of the eruptive prominence. System Analysis & Mathematical Modeling. 2022, vol. 4, iss. 2, pp. 123-151. Kangas J., Guglielmi A., Pokhotelov O. Morphology and physics of short-period magnetic pulsations (A review). Space Sci. Rev. 1998. Vol. 83. P. 435-512. DOI: 10.1023/A:100506 3911643. Russell C.T., Wang Y.L., Raeder J., Tokar C.T., Smith C.W., Ogilivie K.W., Lazarus A.J., Lepping R.P., et al. The interplanetary shock of September 24, 1998: Arrival to Earth. J. Geophys. Res. 2000, vol. 105, iss. A11, pp. 25143-25154. DOI: 10.1029/2000JA900070. Parkhomov V.А., Borodkova N.L., Eselevich V.G., et al. Solar wind diamagnetic structures as a source of substorm-like disturbances. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2018. Vol. 181. P. 55-67. DOI: 10.1016/j.jastp.2018.10.010. Sapunova O.V., Borodkova N.L., Zastenker G.N., Yermolaev Y.I. Behavior of He++ ions at interplanetary shocks. Geomagnetism and Aeronomy. 2020, vol. 60, iss. 6, pp. 708-713. DOI: 10.1134/S0016793220060122. Russell C.T., Wang Y.L., Raeder J., et al. The interplanetary shock of September 24, 1998: Arrival to Earth. J. Geophys. Res. 2000. Vol. 105, iss. A11. P. 25143-25154. DOI: 10.1029/2000JA900070. Sapunova O.V., Borodkova N.L., Zastenker G.N., Yermolaev Y.I. Dynamics of He++ ions at interplanetary and Earth’s bow shocks. Universe. 2022, vol. 8, 516. DOI: 10.3390/ universe8100516. Sapunova O.V., Borodkova N.L., Zastenker G.N., Yermolaev Y.I. Dynamics of He++ ions at interplanetary and Earth’s bow shocks. Universe. 2022. Vol. 8, iss. 10, 516. DOI: 10.3390/universe8100516. Scholer M. Diffusions at quasi-parallel collisionless shocks: Simulations. Geophys. Res. Lett. 1990, vol. 17, pp. 1821-1824. Scholer M. Diffusions at quasi-parallel collisionless shocks: simulations. Geophys. Res. Lett. 1990. Vol. 17. P. 1821-1824. Scholer M., Terasawa T. Ion reflection and dissipation at quasiparallel collisionless shocks. Geophys. Res. Lett. 1990, vol. 17, pp. 119-122. Scholer M., Terasawa T. Ion reflection and dissipation at quasiparallel collisionless shocks. Geophys. Res. Lett. 1990. Vol. 17. P. 119-122. Trattner K.J., Scholer M. Diffuse alpha particles upstream of simulated quasi-parallel supercritical collisionless shocks. Geophys. Res. Lett. 1991, vol. 18, no. 10. pp. 1817-1820. Trattner K.J., Scholer M. Diffuse alpha particles upstream of simulated quasi-parallel supercritical collisionless shocks. Geophys. Res. Lett. 1991. Vol. 18, iss. 10. P. 1817-1820. Tsegmed B., Potapov A., Baatar N. Daytime geomagnetic pulsations accompanying sudden impulse of solar wind. Proceedings of the Mongolian Academy of Sciences. 2022, vol. 62, no. 02, 242. DOI: 10.5564/pmas.v62i02.2380. Tsegmed B., Potapov A., Baatar N. Daytime geomagnetic pulsations accompanying sudden impulse of solar wind. Proceedings of the Mongolian Academy of Sciences. 2022. Vol. 62, iss. 02, 242. DOI: 10.5564/pmas.v62i02.2380. Tsurutani B.T., Smith E.J., Anderson R.R., Ogilvie K.W., Scudder J.D., Baker D.N., Bame S.J. Lion roars and nonoscillatory drift mirror waves in the magnetosheath. J. Geophys Res. 1982, vol. 87, iss. A8, 6060. DOI: 10.1029/JA087iA08p06060. Tsurutani B.T., Smith E.J., Anderson R.R., et al. Bame, Lion roars and nonoscillatory drift mirror waves in the magnetosheath. J. Geophys Res. 1982. Vol. 87, iss. A8. 6060. DOI: 10.1029/JA087iA08p06060. Turner J.M., Burlaga L.F., Ness N.F., Lermaire J.F. Magnetic holes in the solar wind. J. Geophys. Res. 1977, vol. 82, no. 13, pp. 1921-1924. Turner J.M., Burlaga L.F., Ness N.F., Lermaire J.F. Magnetic holes in the solar wind. J. Geophys. Res. 1977. Vol. 82, iss. 13. P. 1921-1924. Veselovsky I.S., Yermolaev Yu.I. Ionic components of the solar wind. Plasma Heliogeophysics. Vol. 1. Moscow, Fizmatlit Publ., 2008, pp. 313- 325. Yermolaev Y.I., Lodkina I.G., Khokhlachev A.A., et al. Drop of solar wind at the end of the 20th century. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2021. Vol. 126, JA029618. DOI: 10.1029/ 2021JA029618. Yermolaev Y.I., Lodkina I.G., Khokhlachev A.A., Yermolaev M.Y., Riazantseva M.O., Rakhmanova L.S., et al. Drop of solar wind at the end of the 20th century. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2021, vol. 126, JA029618. DOI: 10.1029/2021JA029618. Zhou X.-Y., Tsurutani B.T. Rapid intensification and propagation of the dayside aurora: Large-scale interplanetary pressure pulses (fast shocks). Geophys. Res. Lett. 1999. Vol. 26, iss. 8. P. 1097-1100. DOI: 10.1029/1999GL900173. Zhou X.-Y., Tsurutani B.T. Rapid intensification and propagation of the dayside aurora: Large-scale interplanetary pressure pulses (fast shocks). Geophys. Res. Lett. 1999, vol. 26, pp. 1097. DOI: 10.1029/1999GL900173. URL: http://wso.stanford.edu/ (дата обращения 10 апреля 2023 г.). URL: http://wso.stanford.edu/ (date of access April 19, 2023). URL: http://ckp-rf.ru/ckp/3056/ (дата обращения 15 марта 2023 г.). URL: http://ckp-rf.ru/ckp/3056/ (date of access March 15, 2023). URL: https://www.obsebre.es/en/rapid (дата обращения 15 декабря 2022 г.). URL: https://www.obsebre.es/en/rapi (date of access March 15, 2023) URL: https://imag-data.bgs.ac.uk/GIN_V1/GINForms2 (дата обращения 12 апреля 2023 г.). URL: https://imag-data.bgs.ac.uk/GIN_V1/GINForms2 (date of access April 12, 2023). URL: https://cdaweb.gsfc.nasa.gov/cdaweb/istp_public/ (дата обращения 12 апреля 2023 г.). URL: https://cdaweb.gsfc.nasa.gov/cdaweb/istp_public/ (date of access February 12, 2023).