Moscow, Russian Federation
Troick, Russian Federation
Troick, Russian Federation
Moskva, Russian Federation
Moskva, Russian Federation
Moskva, Russian Federation
UDK 53 Физика
A comparison has been made between recurrent (associated with high-speed streams from coronal holes) and sporadic (caused by interplanetary coronal mass ejections (ICMEs)) Forbush decreases (FDs) in solar cycles 23 and 24 (as well as in the maxima of these cycles and the minimum between them). Forbush Effects and Interplanetary Disturbances database created and maintained in IZMIRAN provided a large number of events (about 1700 isolated FDs, among them 350 recurrent FDs, and 207 sporadic FDs selected with high reliability), which allowed us to apply statistical methods. The results revealed that sporadic FDs prevailed in the maxima of the cycles; recurrent FDs, in the minimum between the cycles. FD parameters (magnitude, decrease rate, anisotropy) are larger for sporadic events than for recurrent ones, especially in the maxima of the cycles. FD magnitude is greater in the maxima than in the minimum for sporadic events, and it changes weakly for recurrent ones. The solar wind velocity is on average greater for recurrent events than for sporadic ones; it is larger for recurrent FDs in the minimum and for sporadic FDs in the maxima. The magnetic field is stronger for sporadic FDs than for recurrent ones in the maxima and it is approximately equal for both types of events in the minimum. The magnetic field of ICMEs is weaker in the current solar cycle than in the previous one. The duration of the FD main phase is less in the maxima for both types of events; sporadic FDs developed significantly faster than recurrent ones in the maximum of cycle 23.
Forbush decrease, solar wind, interplanetary magnetic field, coronal mass ejections, coronal holes, solar cycle, statistical analysis
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. Abunin A.A., Abunina M.A., Belov A.V., Eroshenko E.A., Oleneva V.A., Yanke V.G. Forbush effects with a sudden and gradual onset. Geomagnetism and Aeronomy. 2012, vol. 52, no. 3, pp. 292-299. DOI:https://doi.org/10.1134/S0016793212039924.
2. Badruddin K.A. Study of the cosmic-ray modulation during the passage of ICMEs and CIRs. Solar Phys. 2016, vol. 291, no. 2, pp. 559-580. DOI:https://doi.org/10.1007/s11207-015-0843-4.
3. Belov A.V. Forbush effects and their connection with solar, interplanetary and geomagnetic phenomena. Proc. IAU Symposium. 2009, no. 257, pp. 119-130.
4. Belov A.V., Buetikofer R., Eroshenko E.A., Flueckiger E.O., Gushchina R.T., Oleneva V.A., Yanke V.G. Frequency of Forbush effects as an index of solar activity. Proc. 29th ICRC. 2005. V. 1, P. 375-378.
5. Belov A., Abunin A., Abunina M., Eroshenko E., Oleneva V., Yanke V., Papaioannou A., Mavromichalaki H., Gopalswamy N., Yashiro S. Coronal mass ejections and non-recurrent Forbush decreases. Solar Phys. 2014, vol. 289, no. 10, pp. 3949-3960. DOI:https://doi.org/10.1007/s11207-014-0534-6.
6. Belov A.V., Eroshenko E.A., Yanke V.G., Oleneva V.A., Abunina M.A., Abunin A.A. Global Survey Method for the world network of neutron monitors. Geomagnetism and Aeronomy. 2018, vol. 58, no. 3. pp. 356-372. DOI:https://doi.org/10.1134/S001 6793218030039.
7. Belov A.V., Eroshenko E.A., Yanke V.G., Oleneva V.A., Abunina M.A., Abunin A.A., Papaioannou A., Mavromichalaki H. The Global Survey Method applied to ground-level cosmic ray measurements. Solar Phys. 2018, vol. 293, no. 68. DOI:https://doi.org/10.1007/s11207-018-1277-6.
8. 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, vol. 828, no. 2, article id. 104, 8 p. DOI:https://doi.org/10.3847/0004-637X/828/2/104.
9. Cane H.V. CMEs and Forbush decreases. Space Sci. Rev. 2000, vol. 93, no. 1-2, pp. 55-77.
10. 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, vol. 409, no. 1, article id. 012150. DOI:https://doi.org/10.1088/1742-6596/409/1/012150.
11. Corder G.W., Foreman D.I. Nonparametric Statistics for Non-Statisticians. New Jersey, John Willey & Sons, 2009, 264 p.
12. Dorman L.I. Variatsii kosmicheskikh luchei i issledovanie kosmosa [Cosmic Ray Variation and Space Research]. Moscow, 1963. 1027 p. (In Russian). English edition: Dorman L.I. Cosmic Rays: Variations and Space Explorations. Amsterdam, North-Holland; New York, American Elsevier, 1974, 675 p.
13. Dumbović M., Vršnak B., Čalogović J., Župan R. Cosmic ray modulation by different types of solar wind disturbances. Astron. Astrophys. 2012, vol. 538, A28. DOI:https://doi.org/10.1051/0004-6361/201117710.
14. Dumbović M., Vršnak B., Čalogović J. Forbush decrease prediction based on remote solar observations. Solar Phys. 2016, vol. 291, no. 1, pp. 285-302. DOI:https://doi.org/10.1134/s11207-015-0819-4.
15. Forbush S.E. On the effects in the cosmic-ray intensity observed during magnetic storms. Phys. Rev. 1937, vol. 51, pp. 1108-1109.
16. Gopalswamy N. Coronal mass ejections: a summary of recent results. Proc. 20th National Solar Physics Meeting, Papradno, Slovakia. 2010, pp. 108-130.
17. Gopalswamy N., Akiyama S., Yashiro S., Xie H., Mäkelä P., Michalek G. The mild space weather in solar cycle 24. ArXiv. URL: https://arxiv.org/abs/1508.01603 (accessed November 9, 2018).
18. Iucci N., Parisi M., Storini M., Villoresi G. Forbush decreases: origin and development in the interplanetary space. Nuovo Cimento C. 1979, vol. 2C, pp. 1-52. DOI:https://doi.org/10.1007/BF02507712.
19. Kryakunova O., Tsepakina I., Nikolaevskiy N., Malimbaev A., Belov A., Abunin A., Abunina M., Eroshenko E., Oleneva V., Yanke V. Influence of high-speed streams from coronal holes on cosmic ray intensity in 2007. J. Phys. Conf. Ser. 2013, vol. 409, no. 1, article id. 012181. DOI:https://doi.org/10.1088/1742-6596/409/1/012181.
20. Lingri D., Mavromichalaki H., Belov A., Eroshenko E., Yanke V., Abunin A., Abunina M. 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, vol. 291, no. 3, pp. 1025-1041. DOI:https://doi.org/10.1007/s11207-016-0863-8.
21. Lockwood J.A. Forbush decreases in the cosmic radiation. Space Sci. Rev. 1971, vol. 12, no. 5, pp. 658-715. DOI:https://doi.org/10.1007/BF00173346.
22. Melkumyan A.A., Belov A.V., Abunina M.A., Abunin A.A., Eroshenko E.A., Oleneva V.A., Yanke V.G. Main properties of Forbush effects related to high-speed streams from coronal holes. Geomagnetism and Aeronomy. 2018a, vol. 58, no. 2, pp. 154-168. DOI:https://doi.org/10.1134/s0016793218020159.
23. Melkumyan A.A., Belov A.V., Abunina M.A., Abunin A.A., Eroshenko E.A., Oleneva V.A., Yanke V.G. Long term changes in the number and magnitude of Forbush effects. Geomagnetism and Aeronomy. 2018b, vol. 58, no. 5, pp. 615-624. DOI:https://doi.org/10.1134/s0016793218050109.
24. Melkumyan A.A., Belov A.V., Abunina M.A., Abunin A.A., Eroshenko E.A., Oleneva V.A., Yanke V.G. Size distribution of Forbush effects. Geomagnetism and Aeronomy. 2018c, vol. 58, no. 6, pp. 809-816. DOI:https://doi.org/10.1134/s0016793218050109.
25. Richardson I.G. Energetic particles and corotating interaction regions in the solar wind. Space Sci. Rev. 2004, vol. 111, no. 3, pp. 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, vol. 264, no. 1, pp. 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. 1997, vol. 1, pp. 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, vol. 289, no. 4, pp. 1349-1358. DOI:https://doi.org/10.1007/s11207-013-0387-4.
30. URL: http://spaceweather.izmiran.ru/eng/dbs.html (accessed November 9, 2018).
31. URL: http://www.swpc.noaa.gov/ftpdir/lists/xray (accessed November 9, 2018).
32. URL: http://omniweb.gsfc.nasa.gov/ow.html (accessed November 9, 2018).
33. URL: http://www.srl.caltech.edu/ACE/ASC/DATA/level3/ icmetable2.htm (accessed November 9, 2018).
34. URL: http://www.solen.info/solar/coronal_holes.html (accessed November 9, 2018).
35. URL: https://cdaw.gsfc.nasa.gov/CME_list (accessed November 9, 2018).
36. URL: http://cr0.izmiran.ru/ThankYou (accessed November 9, 2018).
37. URL: http://www.nmdb.eu (accessed November 9, 2018).
