Solar-Terrestrial Physics Solar-Terrestrial Physics Солнечно-земная физика / Solnechno-Zemnaya Fizika / Solar-Terrestrial Physics 2712-9640 57297 10.12737/szf-92202310 ВОСЕМНАДЦАТАЯ ЕЖЕГОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «ФИЗИКА ПЛАЗМЫ В СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЕ», 6–10 ФЕВРАЛЯ 2023 г., ИНСТИТУТ КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАН, МОСКВА, РОССИЯ 18TH ANNUAL CONFERENCE “PLASMA PHYSICS IN THE SOLAR SYSTEM”. FEBRUARY 6–10, 2023, SPACE RESEARCH INSTITUTE RAS, MOSCOW, RUSSIA ВОСЕМНАДЦАТАЯ ЕЖЕГОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «ФИЗИКА ПЛАЗМЫ В СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЕ», 6–10 ФЕВРАЛЯ 2023 г., ИНСТИТУТ КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАН, МОСКВА, РОССИЯ Variations in cosmic ray cutoff rigidities during the March 8–11, 2012 magnetic storm (CAWSES II period) Изменения жесткостей обрезания космических лучей во время бури 8–11 марта 2012 г в период CAWSES-II 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;

 Тясто Марта Ильинична Tyasto Marta Ilyinichna mtyasto@mail.ru

доктор физико-математических наук;

doctor 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 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 06 2023 29 06 2023 9 2 86 93 22 02 2023 03 04 2023 https://naukaru.ru/en/nauka/article/57297/view

Жесткости геомагнитного обрезания космических лучей (КЛ) являются основным фактором, регулирующим приход частиц в данную точку на земной поверхности или внутри магнитосферы. Для изучения связи жесткостей геомагнитного обрезания (геомагнитных порогов) и параметров околоземного пространства выбрана наиболее сильная магнитная буря 8–11 марта 2012 г., которая наблюдалась в интервале CAWSES-II, рекомендованном SCOSTEP для детальных исследований солнечно-земных связей. Геомагнитные пороги были рассчитаны двумя способами: 1) методом траекторных расчетов в магнитном поле возмущенной магнитосферы Цыганенко по модели Ts01; 2) методом спектрографической глобальной съемки по данным мировой сети нейтронных мониторов. Максимальное уменьшение жесткостей геомагнитного обрезания (−1.1 ГВ), полученных вторым методом, наблюдается на восстановительной фазе бури. По-видимому, это связано с влиянием суперсуббурь, которые развивались в это время. Анализ показал, что наиболее сильная связь вариаций жесткости геомагнитного обрезания прослеживается с Dst-индексом геомагнитной активности, что свидетельствует об определяющем вкладе кольцевого тока в перенос КЛ. Кроме того, найдена существенная связь с параметрами электромагнитного поля (с Bz-компонентой межпланетного магнитного поля и азимутальной компонентой электрического поля Ey). Динамические параметры солнечного ветра практически не контролируют вариации жесткостей геомагнитного обрезания КЛ.

The geomagnetic cutoff rigidity of cosmic rays (CRs) is the main factor regulating the arrival of CR particles at a given point on Earth's surface or inside the magnetosphere. To study the relationship between cutoffs and near-Earth space parameters, we have selected the strongest magnetic storm that occurred on March 8–11, 2012 during the CAWSES-II interval, recommended by SCOSTEP for detailed studies of solar-terrestrial relations. We have found the geomagnetic cutoffs by two methods: 1) by trajectory calculations in the magnetic field of the perturbed magnetosphere according to the Ts01 model and 2) by the spectrographic global survey method according to the data from the world network of neutron monitors. The largest drop in the cutoffs (−1.1 GV) obtained by the latter method was observed during the recovery phase of the storm. Apparently, this is due to the influence of the supersubstorms that occurred at that time. The analysis has shown that the closest connection of variations in the cutoffs can be traced with the geomagnetic activity index Dst, which indicates the determining contribution of the ring current to the transport of CRs. In addition, we have found a significant connection with the electromagnetic field parameters (with the Bz component of the interplanetary magnetic field and the azimuthal component of the electric field Ey). The dynamic solar wind parameters practically do not control variations in CR geomagnetic cutoff rigidities.

 геомагнитные пороги жесткости геомагнитного обрезания космические лучи суперсуббури межпланетное магнитное поле индексы геомагнитной активности geomagnetic threshold cosmic rays supersubstorm interplanetary magnetic field geomagnetic activity Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России The work was financially supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation

Данилова О.А., Птицына Н.Г., Тясто М.И., Сдобнов В.E. Возмущенная магнитосфера 7-8 ноября 2004 г. и вариации жесткости обрезания космических лучей: широтные эффекты. Солнечно-земная физика. 2020. Т. 60, № 3. С. 40-47. DOI: 10.12737/szf-63202005. Adriani O., Barbarino G.C., Bazilevskaya G.N., Bellotti R., et al. PAMELA’s measurements of geomagnetic cutoff variations during the 14 December 2006. Space Weather. 2016, vol. 14, no. 3. DOI: 10.1002/2016SW001364. Дэспирак И.В., Любчич А.А., Клейменова Н.Г. и др. Долготные геомагнитные эффекты суперсуббурь во время магнитной бури 9 марта 2012 г. Известия РАН. Серия физическая. 2021. Т. 85, № 3. С. 346-352. DOI: 10.31857/ S0367676521030108. Akasofu S.I. Energy coupling between the solar wind and the magnetosphere. Space Sci. Rev. 1981, vol. 28, rr. 121-190. DOI: 10.1007/BF00218810. 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. Belov A., Baisultanova L., Eroshenko E., Mavromichalaki H., Yanke V., Pchelkin V., Plainaki, C., Mariatos G. Magnetospheric effects in cosmic rays during the unique magnetic storm on November 2003. J. Geophys. Res. 2005, vol. 110, A09S20. DOI: 10.1029/2005JA011067. Птицына Н.Г., Данилова О.А., Тясто М.И. Корреляция жесткости обрезания космических лучей с параметрами гелиосферы и геомагнитной активности на разных фазах магнитной бури в ноябре 2004 г. Геомагнетизм и аэрономия. 2020. Т. 60, № 3. С. 281-292. DOI: 10.31857/S0016 794020020145. Borovsky J.E., Birn J. The solar wind electric field does not control the dayside reconnection rate. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2014, vol. 119. DOI: 10.1002/2013JA019193. Птицына Н.Г., Данилова О.А., Тясто М.И., Сдобнов В.Е. Динамика жесткости обрезания космических лучей и параметров магнитосферы во время разных фаз бури 20 ноября 2003 г. Геомагнетизм и аэрономия. 2021. Т. 61, № 2. С. 160-171. DOI: 10.31857/S0016794021010120. Burton R.K., McPherron R.L., Russel C.J. An empirical relationship between interplanetary conditions and Dst. J. Geophys. Res. 1975, vol. 80, rr. 4204-4214. Пчелкин В.В. Влияние магнитосферных суббурь на асимптотические направления прихода релятивистских протонов космических лучей. Геомагнетизм и аэрономия. 2010. Т. 50, № 3. С. 328-333. Carslaw K.S., Harrison R.G., Kirkby J. Cosmic rays, clouds, and climate. Science. 2002, vol. 298, iss. 5599, rr. 1732-1737. DOI: 10.1126/science.1076964. Adriani O., Barbarino G.C., Bazilevskaya G.N., et al. PAMELA’s measurements of geomagnetic cutoff variations during the 14 December 2006. Space Weather. 2016. Vol. 14, no. 3. DOI: 10.1002/2016SW001364. Danilova O.A., Ptitsyna N.G., Tyasto M.I., Sdobnov V.E. Disturbed magnetosphere on November 7-8, 2004 and variations of cosmic ray cutoff rigidity: Latitude effects. Solar-Terr. Phys. 2020, vol. 6, iss. 3, pp. 43-50. DOI: 10.12737/stp-63202005. Akasofu S.I. Energy coupling between the solar wind and the magnetosphere. Space Sci. Rev. 1981. Vol. 28. P. 121-190. DOI: 10.1007/BF00218810. Despirak I.V., Lyubchich A.A., Kleimenova N.G., Gromova L.I., Gromov S.V., Malysheva L.M. Longitude geomagnetic effects of the supersubstorms during the magnetic storm of March 9, 2012. Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2021, vol. 85, pp. 246-251. DOI: 10.3103/S1062873821030096. Belov A., Baisultanova L., Eroshenko E., et al. Magnetospheric effects in cosmic rays during the unique magnetic storm on November 2003. J. Geophys. Res. 2005. Vol. 110, A09S20. DOI: 10.1029/2005JA011067. Dorman L.I. Elementary Particle and Cosmic Ray Physics. New York, Elsevier Publ., 1963, 456 p. Borovsky J.E., Birn J. The solar wind electric field does not control the dayside reconnection rate. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2014. Vol. 119. DOI: 10.1002/2013JA019193. Dungey J.W. Interplanetary magnetic field and the auroral zones. Phys. Rev. Lett. 1961, vol. 6, pp. 47-48. DOI: 10.1103/ PhysRevLett.6.47. Burton R.K., McPherron R.L., Russel C.J. An empirical relationship between interplanetary conditions and Dst. J. Geophys. Res. 1975. Vol. 80. P. 4204-4214. Dvornikov V.M., Kravtsova M.V., Sdobnov V.E. Diagnostics of the electromagnetic characteristics of the interplanetary medium based on cosmic ray effects. Geomagnetism and Aeronomy. 2013, vol. 53, iss. 4, pp. 430-440. Carslaw K.S., Harrison R.G., Kirkby J. Cosmic rays, clouds, and climate. Science. 2002. Vol. 298, iss. 5599. P. 1732-1737. DOI: 10.1126/science.1076964. Kress B.T., Mertens C.J., Wiltberger M. Solar energetic particle cutoff variations during the 29-31 October 2003 geomagnetic storm. Space Weather. 2010, vol. 8, S05001. DOI: 10.1029/2009SW000488. Dorman L.I. Elementary Particle and Cosmic Ray Physics. New York, Elsevier, 1963. 456 p. Flueckiger E.O., Shea M.A., Smart D.F. On the latitude dependence of cosmic ray cutoff rigidity variations during the initial phase of a geomagnetic storm. Proc. 20th Int. Conf. Cosmic Rays. Moscow, 1987, vol. 4, pp. 2016-2020. Dungey J.W. Interplanetary magnetic field and the auroral zones. Phys. Rev. Lett. 1961. Vol. 6. P. 47-48. DOI: 10.1103/ PhysRevLett.6.47. Makrantoni P., Mavromichalaki H., Usoskin I., Papaioannou A. Calculation of the cosmic ray induced ionization for the region of Athens. Journal of Physics: Conference Series. 2013, vol. 409, iss. 1, 012232. DOI: 10.1088/1742-6596/409/1/012232. Dvornikov V.M., Kravtsova M.V., Sdobnov V.E. Diagnostics of the electromagnetic characteristics of the interplanetary medium based on cosmic ray effects. Geomagn. Aeron. 2013. Vol. 53, iss. 4. P. 430-440. Nikolaev A.V., Sergeev V.A., Tsyganenko N.A., Kubyshkina M.V., Opgenoorth H., Singer H., Angelopoulos V. A quantitative study of magnetospheric magnetic field line deformation by a two-loop substorm current wedge. Ann. Geophys. 2015, vol. 33, pp. 505-517. DOI: 10.5194/angeo-33-505-2015. Flueckiger E.O., Shea M.A., Smart D.F. On the latitude dependence of cosmic ray cutoff rigidity variations during the initial phase of a geomagnetic storm. Proc. 20th Int. Conf. Cosmic Rays. Moscow, 1987. Vol. 4. P. 2016-2020. Pchelkin V.V. Effect of magnetospheric substorms on asymptotic directions of arrival of cosmic ray relativistic protons. Geomagnetism and Aeronomy. 2010, vol. 50, pp. 314-319. DOI: 10.1134/S0016793210030059. Kress B.T., Mertens C.J., Wiltberger M. Solar energetic particle cutoff variations during the 29-31 October 2003 geomagnetic storm. Space Weather. 2010. Vol. 8, S05001. DOI: 10.1029/ 2009SW000488. 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. Makrantoni P., Mavromichalaki H., Usoskin I., Papaioannou A. Calculation of the cosmic ray induced ionization for the region of Athens. Journal of Physics: Conference Series. 2013. Vol. 409, iss. 1, 012232. DOI: 10.1088/1742-6596/4091/ 012232. Ptitsyna N.G., Danilova O.A., Tyasto M. I. Correlation of the cosmic-ray cutoff rigidity with heliospheric and geomagnetic-activity parameters at different phases of a magnetic storm in November 2004. Geomagnetism and Aeronomy. 2020, vol. 60, no. 3, pp. 268-278. DOI: 10.1134/S0016793220020139. Nikolaev A.V., Sergeev V.A., Tsyganenko N.A., et al. A quantitative study of magnetospheric magnetic field line deformation by a two-loop substorm current wedge. Ann. Geophys. 2015. Vol. 33. P. 505-517. DOI: 10.5194/angeo-33-505-2015. 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. 2021, vol. 61, no. 2, pp. 169-179. DOI: 10.1134/S0016793221010114. Russell C.T. The solar wind interaction with the Earth’s magnetosphere: A tutorial. IEEE Trans. Plasma Sci. 2000. Vol. 28, no. 6. P. 1818-1830. DOI: 10.1109/27.902211. Russell C.T. The solar wind interaction with the Earth’s magnetosphere: A tutorial. IEEE Trans. Plasma Sci. 2000, vol. 28, no. 6, pp. 1818-1830. DOI: 10.1109/27.902211. Shea M.A., Smart D.F., McCracken K.G. A study of vertical cutoff rigidities using sixth degree simulations of the geomagnetic field. J. Geophys. Res. 1965. Vol. 70. P. 4117-4130. Shea M.A., Smart D.F., McCracken K.G. A study of vertical cutoff rigidities using sixth degree simulations of the geomagnetic field. J. Geophys. Res. 1965, vol. 70, pp. 4117-4130. Tsurutani B., Echer E., Shibata K., et al. The interplanetary causes of geomagnetic activity during the 7-17 March 2012 interval: a CAWSES II overview. J. Space Weather Space Climate. 2014. Vol. 4, A02. DOI: 10.1051/swsc/2013056. Tsurutani B., Echer E., Shibata K., Verkhoglyadova O., Mannucci A., Gonzalez W., Kozyra J., Pätzold M. The interplanetary causes of geomagnetic activity during the 7-17 March 2012 interval: a CAWSES II overview. J. Space Weather Space Clim. 2014, vol. 4, A02. DOI: 10.1051/swsc/2013056. 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, iss. A5, 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, iss. A5, 1209. DOI: 10.1029/2002JA009808. URL: http://www01.nmdb.eu/data (дата обращения 20 февраля 2023 г.). URL: http://www01.nmdb.eu/data (accessed February 20, 2023). URL: https://omniweb.gsfc.nasa.gov/form/dx1.html (дата обращения 3 июля 2015 г.). URL: https://omniweb.gsfc.nasa.gov/form/dx1.html (accessed July 3, 2015). URL: http://ckp-rf.ru/ckp/3056 (дата обращения 20 февраля 2023 г.). URL: http://ckp-rf.ru/ckp/3056 (accessed February 20, 2023). URL: https://ckp-rf.ru/usu/433536 (дата обращения 20 февраля 2023 г.). URL: https://ckp-rf.ru/usu/433536 (accessed February 20, 2023).