CC BY
14
УДК 523.9
ГЕОМАГНИТНЫЕ БУРИ И ФОРБУШ-ПОНИЖЕНИЯ, СВЯЗАННЫЕ С ОДИНОЧНЫМИ И КОМПЛЕКСНЫМИ ТРАНЗИЕНТНЫМИ СТРУКТУРАМИ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА
Д. Г. Родькин1, В. А. Слемзин1, Ю.С. Шугай2
Рассмотрена геоэффективность одиночных и комплексных спорадических транзиентных структур солнечного ветра (СВ), образованных корональными выбросами массы (КВМ), а также связанные с ними Форбуш-понижения потока космических лучей (ФП). На примере периода 2010-2011 гг. показано, что комплексные структуры СВ, образованные в результате взаимодействия КВМ с высокоскоростными потоками из коро-нальных дыр или с другими КВМ в гелиосфере, чаще приводят к умеренным и сильным геомагнитным бурям (Dst < -50 нТл) по сравнению с одиночными КВМ. Показано, что величина ФП растет с увеличением произведения длительности транзиентной структуры СВ на среднюю магнитуду межпланетного магнитного поля транзиента и принимает наиболее высокое значение с приходом к Земле комплексных структур.
Ключевые слова: Солнце, солнечный ветер, корональные выбросы массы, магнитные бури, Форбуш-понижение.
Спорадические транзиентные структуры солнечного ветра (СВ), называемые также межпланетными корональными выбросами массы (МКВМ), фиксируются у Земли в точке Лагранжа L1 и являются проявлениями наблюдаемых в короне Солнца коро-нальных выбросов массы (КВМ).
1 ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: rodkindg@gmail.com.
2 НИИЯФ им. Д. В. Скобельцина МГУ им. М. В. Ломоносова,119991 Россия, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, 1, с. 2.
МКВМ обладают высокой геоэффективностью, в большинстве случаев приводя к возникновению умеренных и сильных геомагнитных возмущений (с индексом геомагнитной активности Dst < -50 нТл) [1-3]. Сила геомагнитных возмущений характеризуется различными индексами, измеряемыми на разных геоширотах. На основе измерений в субавроральной зоне рассчитывается Кр-индекс, характеризующий глобальную воз-мущенность магнитного поля Земли в 3-часовом интервале времени. В зоне полярных сияний магнитную возмущенность, обусловленную усилением токов в ионосфере, характеризует АЕ-индекс. Чаще всего сила магнитной бури определяется низкоширотным Dst-индексом на основе измерений геомагнитного поля в приэкваториальной зоне [4].
В работе [2] для бурь с Dst < -50 нТл в период 1976-2000 гг. были идентифицированы их источники на основе классификации типов течений СВ из статьи [5]. Было определено, что 145 бурь были вызваны областями сжатия перед высокоскоростными потоками ("CIR"), 12 - МКВМ типа магнитного облака, 46 - МКВМ типа "эжекта", 96 -областями уплотнений плазмы перед МКВМ (или "sheath") и 165 - МКВМ с областями "sheath". Было показано, что МКВМ типа магнитного облака наиболее геоэффективны. Однако до сих пор при анализе МКВМ и оценках их геоэффективности не учитывалось образование комплексных структур при взаимодействии потоков в гелиосфере.
Связанные с КВМ транзиентные потоки можно разделить на одиночные и комплексные структуры. Одиночные (изолированные) транзиенты - спорадические потоки, имеющие один источник и отделенные по времени от других потоков или ударных волн, областей "CIR", связанных с ними "sheath". Комплексные (или составные) тран-зиенты образуются в случае взаимодействия различных типов потоков СВ из двух или более источников, в результате которого усиливается ММП и увеличивается длительность структуры, что влияет на ее геоэффективность. В итоге, комплексные структуры могут привести к возникновению наиболее сильных магнитных бурь [6-11]. В статье [9] были рассмотрены примеры геомагнитных бурь и вызывающих их транзиентов за период 1998-2002 гг. Было определено, что рассматриваемые бури вызваны: 1) последовательными КВМ (-65%), 2) одиночными КВМ (-22%) и 3) ВСП в областях CIR (-13%). В отмеченных работах идентификация комплексных структур проводилась по магнитным и кинетическим параметрам СВ.
Спорадические потоки СВ часто сопровождаются понижением интенсивности космических лучей [12, 13], которое называют Форбуш-понижением (ФП) или эффектом Форбуша [14]. Данный эффект объясняется повышенным рассеянием галактических
космических лучей (ГКЛ) возмущениями межпланетного магнитного поля (ММП), переносимыми СВ от Солнца.
В данной работе рассматривается геоэффективность (использованы данные Dst-индекса [15]) комплексных транзиентных структур СВ, наблюдавшихся в 24-м солнечном цикле в период с января 2010 г. по август 2011 г. [16]. За этот период по данным аппарата ACE [17] было идентифицировано 23 МКВМ: 12 одиночных ("single-source" или SS) и 11 комплексных ("multi-source" или MS) событий. В отличие от более ранних работ, в нашем случае идентификация транзиентных структур проводилась не только по магнитоплазменным параметрам, но и по их ионному составу, который определяется условиями формирования КВМ в солнечном источнике и не изменяется при взаимодействиях потоков в гелиосфере. В рассмотренных событиях были выделены 3 типа комплексных структур: 1) структуры, образованные последовательно приходящими друг за другом КВМ (MS1-ra^, 2) структуры, образованные взаимодействием быстрого КВМ с медленным (MS2-ra^, и 3) структуры, образованные взаимодействием КВМ с высокоскоростным потоком (ВСП) из корональной дыры (MS3-ra^.
-20
Н * -60 С)
-80 -100 -120
_ 1 ж _
+ К
о
+
- «А. д "
т о д
+ о д
о
SS MSI MS2 MS3
Рис. 1: Связь минимального значения Dst-индекса с типом структуры. Обозначения: SS-тип - крест, MS1 - звезда, MS2 - ромб, MS3 - треугольник.
На рис. 1 показана зависимость минимального значения Dst-индекса от типа возмущающей структуры (SS, MS1, MS2, MS3) для рассматриваемых событий периода 2010-2011 гг. Наиболее геоэффективными (Dst < -50 нТл) оказались структуры типа MS2 и MS3. SS и MS1 структуры оказались наименее геоэффективными, т.к. для боль-
шинства из них ОвЬ > -50 нТл. Из 12 только 2 одиночные (ББ) структуры привели к образованию умеренных магнитных бурь с ОвЬ < -50 нТл, а из 4-х МБ1 структур ни одно не вызвало магнитную бурю.
Ранее в ряде работ (напр., [1, 6, 11] отмечалось, что геоэффективность МКВМ зависит от параметров Б3 (южная компонента магнитного поля - составляющая вертикальной компоненты Бх: Б3 = — Бх при Бх < 0 и Б3 = 0 при Бх > 0) и произведения гБ3 (г - скорость транзиента), имеющего размерность напряженности электрического поля. Мы рассмотрели связь геоэффективности одиночных и комплексных структур с максимальными значениями Б3 и произведения гБ3 за время транзиента (по измерениям аппарата АСЕ [17]). В табл. 1 представлены средние значения данных параметров, которые были получены для 4-х типов исследованных транзиентов для периода 20102011 гг. Наиболее высокие значения гБ3 и Б3 наблюдались для комплексных структур МБ2 и МБ3 типов (при этом разность между средними значениями (гБ3) и (Б3) для МБ2+МБ3 и для ББ+МБ1 превосходит ошибки усреднения), что характеризует их большую геоэффективность. Это заключение подтверждается отношением количества структур, приведших к магнитным бурям с ОвЬ < —50 нТл, к общему числу структур заданного типа.
Таблица 1
Средние параметры максимальных значений гБ3 и Б3 для одиночных и комплексных событий за период 2010-2011 гг. Жд34(_50) - отношение количества структур заданного типа, приведших
к магнитным бурям с БзЬ < —50 нТл, к общему числу структур этого типа
(гБ3), мВ/м (Б3), нТл 50)МУре) ■ 100%
ББ 1.80 ± 1.17 4.6 ± 2.8 17
МБ1 1.78 ± 0.32 4.8 ± 0.5 0
МБ2 6.45 ± 3.37 12.2 ± 5.2 67
МБ3 5.85 ± 1.32 13.2 ± 2.7 100
Корреляция между минимальными ОвЬ-индексами и значениями параметров гБ3 и Б3 составила по всем типам (ББ+МБ) событий 0.87 (уровень значимости а = 0.0001) и 0.82 (а = 0.0001), соответственно. Данные величины согласуются с приведенными для МКВМ в работе [11], где были получены значения 0.83 и 0.82. Таким образом получается, что определяющим параметром при рассмотрении геоэффективности как одиночных, так и комплексных структур является произведение гБ3.
Таблица 2
Сопоставление между продолжительностью существования геоэффективных структур (Ь) и длительностью фазы восстановления магнитного поля Земли после прохождения соответствующих бурь (Т)
Тип структуры Начало Ь, час Т, час
ББ 05.04.2010 12:00 26 46
ББ 12.04.2010 0:00 16 11
МБ2 28.05.2010 2:00 69 66
МБ2 0З.08.2010 18:00 З8 44
МБ2 05.08.2011 17:00 61 65
МБЗ З0.04.2010 6:00 66 47
МБЗ 04.02.2011 1:00 28 20
МБЗ 28.05.2011 5:00 4З 4З
Также было проведено сопоставление (табл. 2) между продолжительностью существования геоэффективных структур, вызвавших умеренные и сильные магнитные бури (с минимальным ОвЬ < -50 нТл), и длительностью фазы восстановления магнитного поля Земли после соответствующих бурь (период между минимумом ОвЬ и ОвЬ = -30 нТл). Как видно из табл. 2, в большинстве случаев комплексные структуры отличает большая продолжительность, при этом длительность фазы восстановления хорошо совпадает с продолжительностью существования геоэффективных структур, кроме одной структуры ББ-типа от 05.04.2010 12:00. Таким образом, в большинстве рассмотренных случаев структуры с большей длительностью существования (МБ2- и МБЗ-тип) приводят к бурям с более продолжительной фазой восстановления.
В целом, в работе получено, что рассмотренные нами 23 структуры спровоцировали возникновение 8 (35%) умеренных и сильных магнитных бурь, 6 (26%) из которых были связаны с комплексными структурами, образованными в результате взаимодействия 2-х КВМ в гелиосфере (МБ2-тип) или взаимодействия КВМ с ВСП (МБЗ-тип). При этом общее число зарегистрированных за рассматриваемый период структур типа МБ2 и МБЗ составило 7 (30%), а число одиночных КВМ - 12 (52%). Таким образом, 86% (или 6 из 7) структур МБ2- и МБЗ-типа - вызвали умеренные и сильные бури, а в случае одиночных, из 12 только 2 (17%) привели к умеренным бурям. В то же время комплексные структуры МБ1-типа (последовательно идущие КВМ) не привели к возникновению магнитных бурь за рассмотренный период 2010-2011 гг.
Помимо исследования геоэффективности одиночных и комплексных спорадических структур СВ была проанализирована их способность вызывать ФП для периода 20102011 гг. Использованы материалы базы данных ФП [18] и данные каталога 23-х тран-зиентных структур за 2010-2011 гг. [16].
Получено, что 5 из 12 (42%) одиночных и 8 из 11 (73%) комплексных структур, зафиксированных около Земли (в точке Ь1), сопровождались ФП. При этом все структуры МБ2-типа привели к ФП. Этот результат демонстрирует, что составные структуры чаще, чем одиночные КВМ, вызывают ФП.
OMS2
- -
MS3
- Л * -
А
+ SS +
' . + MS1
++ ж 1
0 200 400 600 800
B-t, nT-hour
Рис. 2: График зависимости амплитуды ФП ("FD") от произведения модуля ММП (B) на длительность события (t). Обозначения типов событий соответствуют рис. 1.
На рис. 2 показан график зависимости амплитуды ФП от произведения модуля ММП (B) на длительность события (t). Корреляция между значениями ФП и B x t - 0.71 (а = 0.007). Для структур МБ2-типа, обладающих высоким значением модуля ММП и большой продолжительностью, наблюдаются более высокие значения ФП. Общая тенденция: высокое среднее значение ММП x большая длительность события ^ сильное ФП.
Таким образом, на примере 23 спорадических структур СВ за период 2010-2011 гг. получено, что величина ФП растет с увеличением произведения длительности спорадической транзиентной структуры СВ на среднюю магнитуду ММП.
Рассмотренные в работе комплексные структуры MS2- и МБ3-типов, связанные с взаимодействующими потоками СВ в период роста 24-го солнечного цикла (январь
2010 г. - август 2011 г.), в среднем имели более высокие значения средней напряженности магнитного поля и поэтому оказались более геоэффективными. Кроме того, такие структуры обладали большой продолжительностью существования, что привело к более длительному периоду повышенной геомагнитной активности и к более высоким значениям ФП. Таким образом, идентификация комплексных структур СВ, образованных в результате взаимодействия потоков в гелиосфере, является важным фактором для прогнозирования космической погоды.
Авторы выражают благодарность "Мировому центру данных по геомагнетизму" ("World Data Center for Geomagnetism") [14]; "Центру прогнозов космической погоды ИЗМИРАН" [18] и научному коллективу проекта ACE [17] за предоставление доступа к данным. Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 17-12-01567.
ЛИТЕРАТУРА
[1] J. Zhang, I. G. Richardson, D. F. Webb, et al., J. Geophys. Res. 112, A10102 (2007); doi: 10.1029/2007JA012321.
[2] Y. I. Yermolaev, N. S. Nikolaeva, I. G. Lodkina, M. Y. Yermolaev, J. Geophys. Res. 117, A00L07 (2012); doi: 10.1029/2011JA017139.
[3] M. B. Lawrance, A. Shanmugaraju, Y.-J. Moon, et al., Solar Phys. 291, 1547 (2016); doi: 10.1007/s11207-016-0911-4.
[4] Л. Л. Лазутин, Мировые и полярные магнитные бури. Под ред. Логачева Ю. И. (М., МГУ, 2012).
[5] Ю. И. Ермолаев, Н. С. Николаева, И. Г. Лодкина, М. Ю. Ермолаев, Космич. исслед. 47(2), 99 (2009); doi: 10.1134/S0010952509020014.
[6] Y. Wang, C. Shen, S. Wang, P. Ye, J. Geophys. Res. Lett. 30(20), 2039 (2003); doi: 10.1029/2003GL017901.
[7] C. J. Farrugia, V. K. Jordanova, M. F. Thomsen, et al., J. Geophys. Res. 111, A11104 (2006); doi: 10.1029/2006JA011893.
[8] C. J. Farrugia, H. Matsui, H. Kucharek, et al., Advances in Space Res. 38, 498 (2006); doi: 10.1016/j.asr.2005.05.051.
[9] H. Xie, N. Gopalswamy, P. K. Manoharan, et al., J. Geophys. Res. 111, A01103 (2006); doi: 10.1029/2005JA011287.
[10] N. Lugaz, C. J. Farrugia, J. Geophys. Res. Lett. 41, 769 (2014); doi: 10.1002/2013GL058789.
[11] C. Shen, Y. Chi, Y. Wang, et al., J. Geophys. Res.: Space Physics 122, 5931 (2017); doi: 10.1002/2016JA023768.
[12] A. Belov, A. Abunin, M. Abunina, et al., Solar Phys. 289, 3949 (2014); doi: 10.1007/s11207-014-0534-6.
[13] А. А. Мелкумян, А. В. Белов, М. А. Абунина и др., Солнечно-земная физика 5(1), 39 (2019); doi: 10.12737/stp-51201904.
[14] S. Forbush, J. Geophys. Res. 63(4), 651 (1958); doi: 10.1029/JZ063i004p00651.
[15] World Data Center for Geomagnetism, Kyoto - URL: http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/wdc/Sec3.html
[16] D. Rodkin, V. Slemzin, A. N. Zhukov, et al., Solar Phys. 293, 78 (2018); doi: 10.1007/s11207-018-1295-4.
[17] The ACE Science Center (ASC). ACE Level 2 (Verified) Data - URL: http://www.srl.caltech.edu/ACE/ASC/level2/index.html.
[18] Центр прогнозов космической погоды ИЗМИРАН - URL: http://spaceweather.izmiran.ru/
Поступила в редакцию 28 января 2020 г.
После доработки 10 февраля 2020 г.
Принята к публикации 11 февраля 2020 г.
