Solar-Terrestrial Physics Solar-Terrestrial Physics Солнечно-земная физика 2712-9640 81074 10.12737/szf-103202408 ДЕВЯТНАДЦАТАЯ ЕЖЕГОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «ФИЗИКА ПЛАЗМЫ В СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЕ», 5–9 ФЕВРАЛЯ 2024 Г., ИНСТИТУТ КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАН, МОСКВА, РОССИЯ 19TH ANNUAL CONFERENCE “PLASMA PHYSICS IN THE SOLAR SYSTEM”. FEBRUARY 5–9, 2024, SPACE RESEARCH INSTITUTE RAS, MOSCOW, RUSSIA ДЕВЯТНАДЦАТАЯ ЕЖЕГОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «ФИЗИКА ПЛАЗМЫ В СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЕ», 5–9 ФЕВРАЛЯ 2024 Г., ИНСТИТУТ КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАН, МОСКВА, РОССИЯ Hysteresis phenomena in the response of geomagnetic activity and cosmic ray parameters to variations in the interplanetary medium during a magnetic storm Явления гистерезиса в отклике геомагнитной активности и параметров космических лучей на вариации межпланетной среды во время магнитной бури Данилова Ольга Александровна Danilova Olga Aleksandrovna md1555@mail.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Птицына Наталья Григорьевна Ptitsyna Natalia Grigoryevna nataliaptitsyna@yandex.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Сдобнов Валерий Евгеньевич Sdobnov Valeriy Evgen'evich sdobnov@iszf.irk.ru

доктор физико-математических наук;

doctor of physical and mathematical sciences;

 Санкт-Петербургский филиал Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН Санкт-Петербург Россия St.-Petersburg Filial of IZMIRAN Saint Petersburg Russian Federation Санкт-Петербургский филиал Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН Санкт-Петербург Россия St.-Petersburg Filial of IZMIRAN Saint Petersburg Russian Federation Институт солнечно-земной физики СО РАН Иркутск Россия Institute of Solar Terrestrial Physics SB RAS Irkutsk Russian Federation 29 09 2024 29 09 2024 10 3 70 78 30 03 2024 21 05 2024 https://zh-szf.ru/en/nauka/article/81074/view

Известно, что динамика интенсивности космических лучей различна на восходящей и нисходящей ветвях 11-летнего солнечного цикла, т. е. наблюдаются явления гистерезиса. Недавно получено, что на более коротких интервалах на масштабе магнитных бурь также могут наблюдаться признаки гистерезиса в зависимостях жесткостей геомагнитного обрезания (ЖГО) космических лучей R (геомагнитных порогов) от параметров гелио- и геосферы. Параметр R — это жесткость, ниже которой поток частиц обрезан из-за геомагнитного экранирования. В настоящей работе проведен анализ зависимости геомагнитного буревого индекса Dst и вариации геомагнитных порогов ΔR от параметров межпланетного магнитного поля (ММП) и солнечного ветра (СВ) во время двухступенчатой магнитной бури 7–8 сентября 2017 г. Найдены явления гистерезиса в следующих парных рядах: (1) зависимостях Dst от параметров СВ и ММП и (2) зависимостях ΔR от параметров СВ и ММП. Найдено, что кривые на нисходящей фазе бури (главная фаза) и восходящей (фаза восстановления) не совпадают — формируются петли гистерезиса. Специфической чертой исследуемой бури является второе понижение Dst на восстановительной фазе. Картина гистерезиса отражает эту специфическую динамику бури, формируя две петли как реакцию на два понижения Dst.

The dynamics of the intensity of cosmic rays is known to be different on the ascending and descending branches of the 11-year solar cycle, i.e., hysteresis phenomena are observed. Recently, it has been obtained that at shorter intervals on the scale of magnetic storms there are also signs of hysteresis in dependences of cosmic ray cutoff rigidities R (geomagnetic thresholds) on heliosphere and geosphere parameters. R is the rigidity below which a particle flux is cut off due to geomagnetic shielding. In this paper, we have analyzed the dependence of the geomagnetic storm index Dst and the variation of the ΔR thresholds on interplanetary magnetic field (IMF) and solar wind (SW) parameters during the two-step magnetic storm on September 7–8, 2017. We have found hysteresis phenomena in the following paired series: (1) dependences of Dst on SW and IMF parameters, and (2) dependences of ΔR on SW and IMF parameters. We have established that the dependence curves in the storm descending phase (main phase) and ascending phase (recovery phase) do not coincide — hysteresis loops are formed. A specific feature of the storm under study is the second lowering of Dst in the recovery phase. The hysteresis pattern reflects this specific storm dynamics, forming two hysteresis loops in response to the two Dst drops.

 : космические лучи геомагнитные пороги жесткости геомагнитного обрезания суперсуббури межпланетное магнитное поле индексы геомагнитной активности cosmic rays geomagnetic threshold cosmic ray cutoff rigidities supersubstorm interplanetary magnetic field geomagnetic activity The work was partially carried out with the financial support from the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (Subsidy No. 075-GZ/Ts3569/278) The work was partially carried out with the financial support from the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (Subsidy No. 075-GZ/Ts3569/278)

Атабеков Г.И. Теоретические основы электротехники. Линейные электрические цепи. СПб.: Лань, 2009. 592 с. Alexeev I.I., Belenkaya E.S., Kalegaev V.V., Feldstein Y.I., Grafe A. Magnetic storms and magnetotail currents. J. Geophys. Res. 1996, vol. 101, iss. A4, pp. 7737–7748. DOI: 10.1029/95JA03509. Данилова О.А., Птицына Н.Г., Тясто М.И. Явления гистерезиса во взаимосвязи жесткости обрезания космических лучей и параметров магнитосферы во время бури 15 мая 2005 г. Геомагнетизм и аэрономия. 2023. Т. 63, № 4. С. 481–487. DOI: 10.31857/S001679402360014X. Asikainen T., Maliniemi V., Mursula K. Modeling the contributions of ring, tail, and magnetopause currents to the corrected Dst index. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2010, vol. 115, iss. A12. DOI: 10.1029/2010JA015774. Дремухина Л.А., Ермолаев Ю.И., Лодкина И.Г. Динамика межпланетных параметров и геомагнитных индексов в периоды магнитных бурь, инициированных разными типами солнечного ветра. Геомагнетизм и аэрономия. 2019. T. 59. № 6. С. 683–695. DOI: 10.1134/S0016794019060063. Atabekov G.I. Teoreticheskie osnovy elektrotekhniki. Lineinye elektricheskie tsepi [Theoretical foundations of electrical engineering. Linear electrical circuits]. Saint Petersburg, Lan Publ., 2009, 592 p. (In Russain). Дэспирак И.В., Клейменова Н.Г., Громова Л.И. и др. Суперсуббури во время бурь 7–8 сентября 2017 г. Геомагнетизм и аэрономия. 2020. Т. 60, № 3. С. 308–317. DOI: 10.31857/S0016794020030049. Borovsky J.E., Thomsen M.F., Elphic R.C., Cayton T.E., McComas D.J. The transport of plasma sheet material from the distant tail to geosynchronous orbit. J. Geophys. Res. 1998, vol. 103, iss. A9, pp. 20297–20331. DOI: 10.1029/97JA03144. Ермолаев Ю.И., Лодкина И.Г., Николаева Н.С., Ермолаев М.Ю. Статистическое исследование влияния межпланетных условий на геомагнитные бури. Космические исследования. 2010. Т. 48, № 6. С. 499‒515. Cai D.S., Tao W., Yan X., Lembege B., Nishikawa K.I. Bifurcation and hysteresis of the magnetospheric structure with a varying southward IMF: Field topology and global three-dimensional full particle simulations. J. Geophys.Res: Space Phys. 2009, vol. 114, iss. A12210. DOI: 10.1029/2007JA012863. Калегаев В.В. Динамические модели магнитного поля. Солнечно-земная физика. 2010. Вып. 16. С. 60–69. Danilova O.A., Ptitsyna N.G., Tyasto M.I. Hysteresis phenomena in the relationship between the cosmic ray cutoff rigidity and parameters of the magnetosphere during a storm on May 15, 2005. Geomagnetism and Aeronomy. 2023, vol. 63, no. 4, pp. 434–440. DOI: 10.1134/S0016793223600273. Кичигин Г.Н., Кравцова М.В., Сдобнов В.Е. Параметры токовых систем в магнитосфере по данным наблюдений космических лучей в период магнитной бури в июне 2015 г. Солнечно-земная физика. 2017. Т. 3, № 3. С. 15–19. DOI: 10.12737/szf-33201702. Despirak I.V., Kleimenova N.G., Gromova L.I., Gromov S.V., Malysheva L.M. Supersubstorms during Storms of September 7–8, 2017. Geomagnetism and Aeronomy. 2020, vol. 60, no. 3, pp. 292–300. DOI: 10.1134/S0016793220030044. Куражковская Н.А., Куражковский А.Ю. Эффект гистерезиса между индексами геомагнитной активности (Ap, Dst) и параметрами межпланетной среды в 21–24 циклах солнечной активности. Солнечно-земная физика. 2023. Т. 9, № 3. С. 73–82. DOI: 10.12737/szf-93202308. Dorman L.I., Dorman I.V., Iucci N., Parisi M., Villoresi G. Hysteresis between solar activity and cosmic rays during cycle 22: The role of drifts, and the modulation region. Adv. Space Res. 2001, vol. 27, no. 3, pp. 589–594. DOI: 10.1016/S0273-1177(01)00089-8. Куражковская Н.А., Зотов О.Д., Клайн Б.И. Связь развития геомагнитных бурь с параметром β солнечного ветра. Солнечно-земная физика. 2021. Т. 7, № 4. С. 25–34. DOI: 10.12737/szf-74202104. Dremukhina L.A., Yermolaev Yu.I., Lodkina I.G. Dynamics of interplanetary parameters and geomagnetic indices during magnetic storms induced by different types of solar wind. Geomagnetism and Aeronomy. 2019, vol. 59, iss. 6, pp. 639–650. DOI: 10.1134/s0016793219060069. Обридко В.Н., Канониди Х.Д., Митрофанова Т.А., Шельтинг Б.Д. Солнечная активность и геомагнитные возмущения. Геомагнетизм и аэрономия. 2013. Т. 53, № 2. С. 157–166. DOI: 10.7868/S0016794013010148. Ganushkina N.Y., Liemohn M.W., Dubyagin S. Current systems in the Earth’s magnetosphere. Rev. Geophys. 2018, vol. 56, pp. 309–332. DOI: 10.1002/2017RG000590. Птицына Н.Г., Данилова О.А., Тясто М.И., Сдобнов В.Е. Влияние параметров солнечного ветра и геомагнитной активности на вариации жесткости обрезания космических лучей во время сильных магнитных бурь. Геомагнетизм и аэрономия. 2019. Т. 59, № 5. С. 569–577. DOI: 10.1134/ S0016794019050092. Gosling J.T. The solar flare myth. JGR. Space Phys. 1993, vol. 98, iss. A11, pp. 18937–18949. DOI: 10.1029/93JA01896. Птицына Н.Г., Данилова О.А., Тясто М.И., Сдобнов В.E. Динамика жесткости обрезания космических лучей и параметров магнитосферы во время различных фаз бури 20 ноября 2003 г. Геомагнетизм и аэрономия. 2021. Т. 61, № 2. С. 160–171. DOI: 10.31857/S0016794021010120. Hajra R, Tsurutani B.T., Lakhina G.S. The complex space weather events of 2017 September. Astrophys. J. 2020, vol. 899, no. 1. DOI: 10.3847/1538-4357/aba2c5. Сафаргалеев В.В., Терещенко П.Е. Пульсации герцового диапазона на фазе восстановления магнитной бури 7–8.09.2017 и связь их динамики с изменениями параметров межпланетной среды. Геомагнетизм и аэрономия. 2019. Т. 59, № 3. С. 301–315. DOI: 10.1134/S001679401903012X. Kalegaev V.V. Dynamic models of the geomagnetic field. Solnechno-zemnaya fizika [Solar-Terr. Phys.]. 2010, iss. 16, pp. 60–69. (In Russian). Серенсен С.В., Когаев В.П., Шнейдерович Р.М. Несущая способность деталей машин. М.: Машиностроение, 1975. 354 с. Kane R.P. Lags, hysteresis, and double peaks between cosmic rays and solar activity. J. Geophys. Res. 2003, vol. 108, iss. A10, p. 1379. DOI: 10.1029/2003JA009995. Alexeev I.I., Belenkaya E.S., Kalegaev V.V., et al. Magnetic storms and magnetotail currents. J. Geophys. Res. 1996. Vol. 101, iss. A4. P. 7737–7748. DOI: 10.1029/95JA03509. Kichigin G., Kravtsova M., Sdobnov V. Parameters of current systems in the magnetosphere as derived from observations of cosmic rays during the June 2015 magnetic storm. Solar-Terr. Phys. 2017, vol. 3, no. 3, pp. 15–19. DOI: 10.12737/stp-33201702. Asikainen T., Maliniemi V., Mursula K. Modeling the contributions of ring, tail, and magnetopause currents to the corrected Dst index. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2010. Vol. 115, iss. A12. DOI: 10.1029/2010JA015774. Kilpua E.K.J., Balogh A., von Steiger R., Liu Y.D. Geoeffective properties of solar transients and stream interaction regions. Space Sci. Rev. 2017, vol. 212, pp. 1271–1314. DOI: 10.1007/s11214-017-0411-3. Borovsky J.E., Thomsen M.F., Elphic R.C., et al. The transport of plasma sheet material from the distant tail to geosynchronous orbit. J. Geophys. Res. 1998. Vol. 103, iss. A9. P. 20297–20331. DOI: 10.1029/97JA03144. Kovalev I.I., Olemskoy S.V., Sdobnov V.E. A proposal to extend the spectrographic global survey method. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2022, vol. 235, p. 105887. DOI: 10.1016/ j.jastp.2022.105887. Cai D.S., Tao W., Yan X., et al. Bifurcation and hysteresis of the magnetospheric structure with a varying southward IMF: Field topology and global three-dimensional full particle simulations. J. Geophys. Res: Space Phys. 2009. Vol. 114, iss. A12210. DOI: 10.1029/2007JA012863. Kozyra J.U., Liemohn M.W. Ring current energy input and decay. Space Sci. Rev. 2003, vol. 109 (1-4), pp. 105–131. DOI: 10.1023/B:SPAC.0000007516.10433.ad. Dorman L.I., Dorman I.V., Iucci N., et al. Hysteresis between solar activity and cosmic rays during cycle 22: The role of drifts, and the modulation region. Adv. Space Res. 2001. Vol. 27, no. 3. P. 589–594. DOI: 10.1016/S0273-1177(01)00089-8. Kurazhkovskaya N.A., Kurazhkovskii A.Yu. Hysteresis effect between geomagnetic activity indices (Ap, Dst) and interplanetary medium parameter in solar activity cycles. Solar-Terr. Phys. 2023, vol. 9, iss. 3, pp. 68–76. DOI: 10.12737/stp-93202308. Ganushkina N.Y., Liemohn M.W., Dubyagin S. Current systems in the Earth’s magnetosphere. Rev. Geophys. 2018. Vol. 56. P. 309–332. DOI: 10.1002/2017RG000590. Kurazhkovskaya N.A., Zotov O.D., Klain B.I. Relationship between geomagnetic storm development and the solar wind parameter β. Solar-Terr. Phys. 2021, vol. 7, no. 4, pp. 25–34. DOI: 10.12737/stp-74202104. Gosling J.T. The solar flare myth. JGR. Space Phys. 1993. Vol. 98, iss. A11. P. 18937–18949. DOI: 10.1029/93JA01896. Mavromichalaki H., Belehaki A., Rafios X. Simulated effects at neutron monitor energies: evidence for a 22-year cosmic ray variation. Astron. Astrophys. 1998, vol. 330, pp. 764–772. Hajra R, Tsurutani B.T., Lakhina G.S. The complex space weather events of 2017 September. Astrophys. J. 2020. Vol. 899, no. 1. DOI: 10.3847/1538-4357/aba2c5. McCracken K.G., Rao U.R., Shea M.A. The Trajectories of Cosmic Rays in a High Degree Simulation of the Geomagnetic Field. MIT Tech. Rep. Massachusetts Institute of Technology. Laboratory for Nuclear Science. Cambridge. 1962. 146 p. Kane R.P. Lags, hysteresis, and double peaks between cosmic rays and solar activity. J. Geophys. Res. 2003. Vol. 108, iss. A10. P. 1379. DOI: 10.1029/2003JA009995. Obridko V.N., Kanonidi K.D., Mitrofanova T.A., Shelting B.D. Solar activity and geomagnetic disturbances. Geomagnetism and Aeronomy. 2013, vol. 53, iss. 2, pp. 147–156. DOI: 10.1134/S0016793213010143. Kilpua E.K.J., Balogh A., von Steiger R., Liu Y.D. Geoeffective properties of solar transients and stream interaction regions. Space Sci. Rev. 2017. Vol. 212. P. 1271–1314. DOI: 10.1007/s11214-017-0411-3. Ptitsyna N.G., Danilova O.A, Tyasto M.I., Sdobnov V.E. Influence of the solar wind and geomagnetic activity parameters on variations in the cosmic ray cutoff rigidity during strong magnetic storms. Geomagnetism and Aeronomy. 2019, vol. 59, no. 5, pp. 530–538. DOI: 10.1134/S0016793219050098. Kovalev I.I., Olemskoy S.V., Sdobnov V.E. A proposal to extend the spectrographic global survey method. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2022. Vol. 235. P. 105887. DOI: 10.1016/ j.jastp.2022.105887. Ptitsyna N.G., Danilova O.A., Tyasto M.I., Sdobnov V.E. Dynamics of cosmic-ray cutoff rigidity and magnetospheric parameters during different phases of the storm of november 20, 2003. Geomagnetism and Aeronomy. (Engl. Transl.), 2021, vol. 61, no. 4, pp. 169–179. DOI: 10.1134/S0016793221010114. Kozyra J.U., Liemohn M.W. Ring current energy input and decay. Space Sci. Rev. 2003. Vol. 109 (1-4). P. 105–131. DOI: 10.1023/B:SPAC.0000007516.10433.ad. Ptitsyna N.G., Danilova O.A., Tyasto M.I., Sdobnov V.E. Cosmic ray cutoff rigidity governing by solar wind and magnetosphere parameters during the 2017 Sep 6–9 solar-terrestrial event. J. Atmosp. Solar-Terr. Phys. 2023, vol. 246, p. 106067. DOI: 10.1016/j.jastp.2023.106067. Mavromichalaki H., Belehaki A., Rafios X. Simulated effects at neutron monitor energies: evidence for a 22-year cosmic ray variation. Astron. Astrophys. 1998. Vol. 330. P. 764–772. Richardson I.G., Cane H.V. Geoeffectiveness (Dst and Kp) of interplanetary coronal mass ejections during 1995–2009 and implications for storm forecasting. Space Weather. 2011, vol. 9, no. 7. DOI: 10.1029/2011sw000670. McCracken K.G., Rao U.R., Shea M.A. The Trajectories of Cosmic Rays in a High Degree Simulation of the Geomagnetic Field. MIT Tech. Rep. Massachusetts Institute of Technology. Laboratory for Nuclear Science. Cambridge. 1962. 146 p. Safargaleev, V.V., Tereshchenko, P.E. Hertz range pulsations during recovery phase of the magnetic storm on september 7–8, 2017, and relation between their dynamics and changes in the parameters of the interplanetary medium. Geomagnetism and Aeronomy. 2019, vol. 59, no. 3, pp. 281–295. DOI: 10.1134/S0016793219030125. Ptitsyna N.G., Danilova O.A., Tyasto M.I., et al. Cosmic ray cutoff rigidity governing by solar wind and magnetosphere parameters during the 2017 Sep 6–9 solar-terrestrial event. J. Atmosp. Solar-Terr. Phys. 2023. Vol. 246. P. 106067. DOI: 10.1016/j.jastp.2023.106067. Scolini C., Chane E., Temmer M., Kilpua E.K.J., Dissauer K., Veronig A.M., et al. CME-CME interactions as sources of CME geoeffectiveness: the formation of the complex ejecta and intense geomagnetic storm in 2017 early September. Astrophys. J. Supplement Ser. 2020, vol. 247 (1). DOI: 10.3847/1538-4365/ab6216. Richardson I.G., Cane H.V. Geoeffectiveness (Dst and Kp) of interplanetary coronal mass ejections during 1995–2009 and implications for storm forecasting. Space Weather. 2011. Vol. 9, no. 7. DOI: 10.1029/2011sw000670. Serensen S.V., Kogaev V.P., Shneiderovich R.M. Nesushchaya sposobnost detalei mashin [Load-bearing capacity of machine parts]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1975, 354 p. (In Russian). Scolini C., Chane E., Temmer M., et al. CME-CME Interactions as sources of CME geoeffectiveness: the formation of the complex ejecta and intense geomagnetic storm in 2017 early September. Astrophys. J. Supplement Ser. 2020. Vol. 247 (1). DOI: 10.3847/1538-4365/ab6216. Shen C., Xu M., Wang Y., Chi Y., Luo B. Why the Shock-ICME Complex Structure Is Important: Learning from the Early 2017 September CMEs. Astrophys. J. 2018, vol. 861, no. 1, pp. 861–960. DOI: 10.3847/1538-4357/aac204. Shen C., Xu M., Wang Y., et al. Why the shock-ICME complex structure is important: learning from the early 2017 September CMEs. Astrophys. J. 2018. Vol. 861, no. 1. P. 861–960. DOI: 10.3847/1538-4357/aac204. 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, p. 1179. DOI: 10.1029/2001 JA000219. 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. P. 1179. DOI: 10.1029/2001 JA000219. Tsyganenko N.A. A model of the near magnetosphere with a dawn-dusk asymmetry: 2. Parametrization and fitting to observation. J. Geophys. Res. 2002b, vol. 107, no. A8, p. 1176. DOI: 10.1029/2001JA000220. Tsyganenko N.A. A model of the near magnetosphere with a dawn-dusk asymmetry: 2. Parametrization and fitting to observation. J. Geophys. Res. 2002b. Vol. 107, no. A8. P. 1176. DOI: 10.1029/2001JA000220. 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, p. 1209. DOI: 10.1029/ 2002JA009808. 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. P. 1209. DOI: 10.1029/ 2002JA009808. Yermolaev Yu.I., Lodkina I.G., Nikolaeva N.S., Yermolaev M.Yu. Statistical study of interplanetary condition effect on geomagnetic storms. Cosmic Res. 2010, vol. 48, iss. 6, pp. 485–500. DOI: 10.1134/S0010952510060018