Solnechno-Zemnaya Fizika Solnechno-Zemnaya Fizika Солнечно-земная физика 2712-9640 50542 10.12737/szf-83202205 Результаты исследований Results of current research Результаты исследований Topside ionosphere during solar cosmic ray bursts and Forbush decreases in galactic cosmic rays Верхняя ионосфера в период вспышек солнечных космических лучей и форбуш-понижений галактических космических лучей Янчуковский Валерий Леонидович Yanchukovsky Valery Leonidovich vjanch@gs.nsc.ru

доктор физико-математических наук;

doctor of physical and mathematical sciences;

 https://orcid.org/0000-0003-2254-6138 Белинская Анастасия Юрьевна Belinskaya Anastasiya Yuryevna belinskayaay@ipgg.sbras.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН Новосибирск Россия Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS Novosibirsk Russian Federation Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН Новосибирск Россия Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS Novosibirsk Russian Federation 30 09 2022 30 09 2022 8 3 35 40 18 05 2022 03 08 2022 https://naukaru.ru/en/nauka/article/50542/view

В работе рассматривается поведение верхней ионосферы на высотах слоя F2 во время форбуш-понижений галактических космических лучей (ФП ГКЛ) и вспышек солнечных космических лучей (СКЛ). Используются результаты длительных непрерывных наблюдений космических лучей и ионосферы в Новосибирске за период с 1968 по 2021 г. Ионосферные возмущения в слое F2 в период ФП ГКЛ, которые сопровождались магнитными бурями, наблюдаются в виде отрицательной фазы ионосферной бури. Глубина понижения электронной концентрации и, соответственно, критической частоты слоя F2 на отрицательной фазе возмущения F-слоя ионосферы растет с увеличением Dst-индекса геомагнитной бури. Рост амплитуды отрицательного ионосферного возмущения становится все более значительным в зависимости от величины форбуш-понижения. По истечении восьми суток после вспышки СКЛ и фронта ФП ГКЛ наблюдается всплеск амплитуды суточного хода критической частоты слоя F2 ионосферы. Высказано предположение, что он вызван возмущениями в нижней атмосфере в результате значительных вариаций интенсивности потоков СКЛ и ГКЛ.

The paper considers the behavior of the upper ionosphere at heights of the F2 layer during Forbush decreases in galactic cosmic rays (GCR FDs) and solar cosmic ray (SCR) bursts. We use the results of long-term continuous observations of cosmic rays and the ionosphere in Novosibirsk for the period from 1968 to 2021. The ionospheric disturbances in the F2 layer during GCR FDs, which were accompanied by a magnetic storm, took the form of an ionospheric storm negative phase. The scale of the negative phase of the ionospheric F-layer disturbance increases with increasing Dst index of the geomagnetic storm. This increase in the amplitude of the ionospheric disturbance becomes more and more significant depending on the magnitude of Forbush decreases. A burst of the amplitude of the daily variation in the F2-layer critical frequency occurred eight days after SCR bursts and GCR FD front. We assume that this burst might have been caused by disturbances in the lower atmosphere due to significant variations in the intensity of SCR and GCR fluxes.

 солнечные космические лучи галактические космические лучи ионосфера геомагнитное возмущение solar cosmic rays galactic cosmic rays ionosphere geomagnetic disturbance Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ (проект FWZZ-2022-0019) The work was financially supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (Project FWZZ-2022-0019)

Альперт Я.Л. Распространение радиоволн и ионосфера. М.: Наука, 1972. 563 с. Al’pert Ja.L. Rasprostranenie radiovoln i ionosfera [Radio wave propagation and the ionosphere] Moscow, Nauka Publ., 1972, 563 p. (In Russian). Гивишвили Г.В., Лещенко Л.Н. Многолетний тренд реакции Е-слоя ионосферы на солнечные вспышки. Солнечно-земная физика. 2022. Т. 8, № 1. С. 51-57. DOI: 10.12737/szf-81202206. Bazilevskaya G.A. Solar cosmic rays in the near Earth space and the atmosphere. Adv. Space Res. 2005, vol. 35, pp. 458-464. DOI: 10.1016/j.asr.2004.11.019. Данилов А.Д. Реакция области F на геомагнитные возмущения. Гелиогеофизические исследования. 2013. Вып. 5. С. 1-33. Chernigovskaya M.A., Shpynev B.G., Yasyukevich A.S., Khabituev D.S. Disturbances of thermospheric molecular gas and their relationship to longitudinal inhomogeneities of ionospheric disturbances in the Northern Hemisphere during geomagnetic storm. Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa [Current problems in remote sensing of the Earth from space]. 2021a, vol. 18, no. 5, pp. 295-304. DOI: 10.21046/2070-7401-2021-18-5-295-304. (In Russian). Дриацкий В.М. Природа аномального поглощения космического радиоизлучения в нижней ионосфере на высоких широтах. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. 224 с. Chernigovskaya M.A., Shpynev B.G., Yasyukevich A.S., Khabituev D.S., Ratovsky K.G., Belinskaya A.Yu., et al. Longitudinal variations of geomagnetic and ionospheric parameters in the Northern Hemisphere during magnetic storms according to multi-instrument observations. Adv. Space Res. 2021b, vol. 67, no. 2, pp. 762-776. DOI: 10.1016/j.asr.2020.10.028. Кудрявцев И.В., Юнгер X. Вариации прозрачности атмосферы под действием галактических космических лучей как возможная причина их влияния на формирование облачности. Геомагнетизм и аэрономия. 2011. Т. 51, № 5. С. 668-676. Danilov A.D. The reaction of the region F to geomagnetic disturbances. Geliogeofizicheskie issledovanija [Geophysical research]. 2013, vol. 5, pp. 1-33. (In Russian). Куницын В.Е., Назаренко М.О., Нестеров И.А., Падохин А.М. Влияние солнечных вспышек на ионизацию верхней атмосферы. Анализ ряда значительных событий 23-го и 24-го солнечных циклов. ВМУ. Серия 3. Физика. Астрономия. 2015. № 4. С. 95-101. Danilov A.D., Belik L.D. Thermospheric composition and the positive phase of an ionospheric storm. Adv. Space Res. 1992, vol. 12, iss. 10, pp. 257-260. Леонович Л.А., Тащилин А.В. Возмущения во внешней ионосфере во время солнечных вспышек. Геомагнетизм и аэрономия. 2008. Т. 48, № 6. С. 793-802. Danilov A.D., Laštovička J. Effects of geomagnetic storms on the ionosphere and atmosphere. Geomagnetism and Aeronomy. 2001, vol. 2, no. 3, pp. 209-224. Леонович Л.А., Тащилин А.В., Портнягина О.Ю. Зависимость отклика ионосферы от параметров солнечных вспышек на основе теоретического моделирования и данных GPS. Геомагнетизм и аэрономия. 2010. Т. 50, № 2. С. 209-219. Driatsky V.M. Priroda anomal’nogo pogloshcheniya kosmicheskogo radioizlucheniya v nizhnei ionosfere na vysokikh shirotakh [The nature of the anomalous absorption of cosmic radio emission in the lower ionosphere at high latitudes]. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1974, 224 p. (In Russian). Лушников А.А., Загайнов В.А., Любовцева Ю.С., Гвишиани А.Д. Образование наноаэрозолей в тропосфере под действием космического излучения. Извести РАН. Физика атмосферы и океана. 2014. Т. 50, № 2. С. 175-184. DOI: 10.7868/S0002351514020072. Givishvili G.V., Leshchenko L.N. Long-term trend of the ionospheric E-layer response to solar flares. Solar-Terr. Phys. 2022, vol. 8, iss. 1, pp. 51-57. DOI: 10.12737/stp-81202206. Митра А. Воздействие солнечных вспышек на ионосферу Земли. М.: Мир, 1977. 370 с. Kudryavtsev I.V., Junger X. Variations in atmospheric transparency under the action of galactic cosmic rays as a possible cause of their effect on the formation of cloudiness. Geomagnetism and Aeronomy. 2011, vol. 51, no. 5, pp. 656-663. DOI: 10.1134/S0016793211050100. Распопов О.М., Веретененко С.В. Солнечная активность и космические лучи: влияние на облачность и процессы в нижней атмосфере (памяти и к 75-летию М.И. Пудовкина). Геомагнетизм и аэрономия. 2009. Т. 49, № 2. С. 147-155. Kunitsyn V.E., Nazarenko M.O., Nesterov I.A., Padokhin A.M. Solar flare forcing on ionization of upper atmosphere. Comparative study of several major X-class events of 23rd and 24th solar cycles. Moscow University Phys. Bull. 2015, vol. 70, no. 4, pp. 312-318. DOI: 10.3103/S0027134915040128. Ратовский К.Г., Клименко М.В., Клименко В.В. и др. Эффекты последействий геомагнитных бурь: статистический анализ и теоретическое объяснение. Солнечно-земная физика. 2018. Т. 4, № 4. С. 32-42. DOI: 10.12737/szf-44201804. Leonovich L.A., Tashchilin A.V. Disturbances in the topside ionosphere during solar flares. Geomagnetism and Aeronomy. 2008, vol. 48, no. 6, pp. 759-767. DOI: 10.1134/S00 1679320806008X. Смирнов В.М., Смирнова Е.В. Ионосферные эффекты двух солнечных вспышек максимума 23-го и минимума 24-го циклов солнечной активности. Солнечно-земная физика. 2019. Т. 5, № 2. С. 82-88. DOI: 10.12737/szf-52201911. Leonovich L.A., Tashchilin A.V., Portnyagina O.Y. Dependence of the ionospheric response on the solar flare parameters based on the theoretical modeling and GPS data. Geomagnetism and Aeronomy. 2010, vol. 50, no. 2, pp. 201-210. DOI: 10.1134/S0016793210020076. Черниговская М.А., Шпынев Б.Г., Ясюкевич А.С., Хабитуев Д.С. Возмущения термосферного молекулярного газа и их связь с долготными неоднородностями ионосферных возмущений в Северном полушарии во время геомагнитной бури. Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2021. Т. 18, № 5. С. 295-304. DOI: 10.21046/2070-7401-2021-18-5-295-304. Lushnikov A.A., Lyubovtseva Y.S., Gvishiani A.D., Zagaynov V.A. Nanoaerosol Formation in the Troposphere under the Action of Cosmic Radiation. Izvestiya. Atmospheric and Oceanic Physics. 2014, vol. 50, no. 2, pp. 152-159. DOI: 10.1134/S0001433814020078. Bazilevskaya G.A. Solar cosmic rays in the near Earth space and the atmosphere. Adv. Space Res. 2005. Vol. 35. P. 458-464. DOI: 10.1016/j.asr.2004.11.019. Mikhailov A.V., Skoblin M.G., Forster M. Day-time F2-layer positive storm effect at middle and lower latitudes. Ann. Geophys. 1995, vol. 13, pp. 532-540. DOI: 10.1007/s00585-995-0532-y. Chernigovskaya M.A., Shpynev B.G., Yasyukevich A.S., et al. Longitudinal variations of geomagnetic and ionospheric parameters in the Northern Hemisphere during magnetic storms according to multi-instrument observations. Adv. Space Res. 2021. Vol. 67, no. 2. P. 762-776. DOI: 10.1016/j.asr.2020.10.028. Mitra A. Vozdeistvie solnechnykh vspyshek na ionosferu Zemli [The impact of solar flares on the Earth's ionosphere]. Moscow, Mir Publ., 1977, 370 p. (English edition: Mitra A.P. Ionospheric Effects of Solar Flares. D. Reidel, 1974, 296 p.) Danilov A.D., Belik L.D. Thermospheric composition and the positive phase of an ionospheric storm. Adv. Space Res. 1992. Vol. 12, iss. 10. P. 257-260. Prolss G.W. Ionospheric F-region storms. Handbook of Atmospheric Electrodynamics / Eds. H. Volland. Boca Raton, CRC Press, 1995, vol. 2, ch. 8, pp. 195-248. Danilov A.D., Laštovička J. Effects of geomagnetic storms on the ionosphere and atmosphere. J. Geomagn. Aeron. 2001. Vol. 2, no. 3. P. 209- 224. Raspopov O.M., Veretenenko S.V. Solar activity and cosmic rays: Influence on cloudiness and processes in the lower atmosphere (In memory and on the 75th anniversary of M.I. Pudovkin). Geomagnetism and Aeronomy. 2009, vol. 49, no. 2, pp. 137-145. DOI: 10.1134/S0016793209020017. Mikhailov A.V., Skoblin M.G., Forster M. Daytime F2-layer positive storm effect at middle and lower latitudes. Ann. Geophys. 1995. Vol. 13. P. 532-540. DOI: 10.1007/s00585-995-0532-y. Ratovsky K.G., Klimenko M.V., Klimenko V.V., Chirik N.V., Korenkova N.A., Kotova D.S. After-effects of geomagnetic storms: statistical analysis and theoretical explanation. Solar-Terr. Phys. 2018, vol. 4, no. 4, pp. 26-32. DOI: 10.12737/stp-44201804. Prolss G.W. Ionospheric F-region storms. Handbook of Atmospheric Electrodynamics / Eds. H. Volland. Boca Raton: CRC Press, 1995. Vol.  2, ch. 8. P. 195-248. Ratovsky K.G., Klimenko M.V., Yasyukevich Y.V., Klimenko V.V., Vesnin A.M. Statistical analysis and interpretation of high-, mid- and low-latitude responses in regional electron content to geomagnetic storms. Atmosphere. 2020, vol. 11, no. 12, 1308. DOI: 10.3390/atmos11121308. Ratovsky K.G.; Klimenko M.V.; Yasyukevich Y.V., et al. Statistical analysis and interpretation of high-, mid- and low-latitude responses in regional electron content to geomagnetic storms. Atmosphere. 2020. Vol. 11, no. 12, 1308. DOI: 10.3390/atmos11121308. Rishbeth H., Barron R. Equilibrium electron distribution in the ionospheric F2-layer. J. Atmos. Terr. Phys. 1960, vol. 18, iss. 2-3, pp. 234-252. DOI: 10.1016/0021-9169(60)90095-7. Rishbeth H., Barron R. Equilibrium electron distribution in the ionospheric F2-layer. J. Atmos. Terr. Phys. 1960. Vol. 18, iss. 2-3. P. 234-252. DOI: 10.1016/0021-9169(60)90095-7. Seaton M.J. A possible explanation of the drop in F-region critical densities accompanying major ionospheric storms. J. Atmos. Terr. Phys. 1956, vol. 8, iss. 1, pp. 122-123. DOI: 10.1016/0021-9169(56)90102-7. Seaton M.J. A possible explanation of the drop in F-region critical densities accompanying major ionospheric storms. J. Atmos. Terr. Phys. 1956. Vol. 8, iss. 1. P. 122-123. DOI: 10.1016/ 0021-9169(56)90102-7. Smirnov V.M., Smirnova E.V. Ionospheric effects of two solar flares in the maximum of solar cycle 23 and in the minimum of solar cycle 24. Solar-Terr. Phys. 2019, vol. 5, iss. 2, pp. 76-80. DOI: 10.12737/stp-52201911. Veretenenko S.V., Thejll P. Effects of energetic solar proton events on the cyclone development in the North Atlantic. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2004. Vol. 66, iss. 5. P. 393-405. DOI: 10.1016/j.jastp.2003.11.005. Veretenenko S.V., Thejll P. Effects of energetic solar proton events on the cyclone development in the North Atlantic. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2004, vol. 66, iss. 5, pp. 393-405. DOI: 10.1016/j.jastp.2003.11.005. Veretenenko S.V., Thejll P. Cyclone regeneration in the North Atlantic intensified by energetic solar proton events. Adv. Space Res. 2005. Vol. 35, no. 3. P. 470-475. DOI: 10.1016/ j.asr.2005.01.079. Veretenenko S.V., Thejll P. Cyclone regeneration in the North Atlantic intensified by energetic solar proton events. Adv. Space Res. 2005, vol. 35, no. 3, pp. 470-475. DOI: 10.1016/j.asr.2005.01.079. URL: http://193.232.24.200/nvbk/main.htm (дата обращения 18 мая 2022 г.). URL: http://193.232.24.200/nvbk/main.htm (accessed May 18, 2022). URL: http://im.ipgg.sbras.ru (дата обращения 18 мая 2022 г.). URL: http://im.ipgg.sbras.ru (accessed May 18, 2022). URL: http://www.ckp-rf.ru/usu/433536 (дата обращения 18 мая 2022 г.). URL: http://www.ckp-rf.ru/usu/433536 (accessed May 18, 2022).