Solnechno-Zemnaya Fizika Solnechno-Zemnaya Fizika Солнечно-земная физика 2712-9640 81081 10.12737/szf-103202406 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 MHD waves at the pre-front of interplanetary shocks on September 6 and 7, 2017 МГД-волны в области предфронта межпланетных ударных волн 6 и 7 сентября 2017 г. https://orcid.org/0000-0002-2343-1618 Стародубцев Сергей Анатольевич Starodubtsev Sergei Anatolyevich starodub@ikfia.ysn.ru

доктор физико-математических наук;

doctor of physical and mathematical sciences;

 Шадрина Людмила Панкратьевна Shadrina Lyudmila Pankratevna lushadr@mail.ru Институт космофизических исследований и аэрономии им. Ю.Г. Шафера СО РАН Якутск Россия Yu.G. Shafer Institute of Cosmophysical Research and Aeronomy SB RAS Yakutsk Russian Federation Академия наук Республики Саха Якутск Россия Academy of Sciences of the Republic of Sakha Yakutsk Russian Federation 29 09 2024 29 09 2024 10 3 53 61 30 03 2024 02 08 2024 https://naukaru.ru/en/nauka/article/81081/view

В работе анализируются события сильных возмущений космической погоды в первой декаде сентября 2017 г. При этом используется данные Dst-индекса геомагнитной активности, параметров нормалей к фронтам межпланетных ударных волн, а также прямые измерения параметров межпланетного магнитного поля, плазмы солнечного ветра и космических лучей. С использованием спектрального анализа данных измерений параметров межпланетной среды проведен анализ МГД-волн в области предфронта двух межпланетных ударных волн, ответственных за геомагнитные возмущения 6 и 7 сентября 2017 г. Основные полученные результаты сводятся к следующему: установлен вклад трех веток МГД-волн (альфвеновских, быстрых и медленных магнитозвуковых) в наблюдаемый спектр модуля межпланетного магнитного поля. Подтвержден вывод, что генерация альфвеновских и быстрых магнитозвуковых волн обусловлена наличием потоков протонов с энергией Ep~1 МэВ в области предфронта межпланетных ударных волн. При этом обнаружен преобладающий вклад медленных магнитозвуковых волн в наблюдаемый спектр модуля межпланетного магнитного поля, но причина этого остается неизвестной. Отмечается, что разная ориентация нормалей между фронтами межпланетных ударных волн и направлением среднего вектора межпланетного магнитного поля на достаточно близко расположенных относительно друг друга космических аппаратах может служить признаком волнистости структуры фронта ударной волны.

We analyze strong space weather disturbances during first ten days of September 2017, using the geomagnetic Dst index, parameters of normals to interplanetary shock fronts, direct measurements of interplanetary magnetic field, solar wind, and cosmic ray parameters. By applying spectral analysis methods to interplanetary medium data, we analyze MHD waves at the pre-front of two interplanetary shocks responsible for geomagnetic disturbances on September 6 and 7, 2017. The main results are as follows: the contribution of three branches of MHD waves (Alfvén, fast and slow magnetosonic) to the observed spectrum of the interplanetary magnetic field modulus has been established. We have confirmed the conclusion that the generation of Alfvén waves and fast magnetosonic waves is due to the presence of low-energy proton fluxes (Ep~1 MeV) at the pre-front of interplanetary shocks. We have also discovered a predominant contribution of slow magnetosonic waves to the observed spectrum of the interplanetary magnetic field modulus, but its reason is yet unknown. It is noted that different orientations of the normals to the interplanetary shock fronts and to the direction of the interplanetary magnetic field average vector on spacecraft located fairly close to each other may indicate waviness of the shock front structure.

 межпланетное магнитное поле солнечный ветер МГД-волны межпланетная ударная волна геомагнитная буря космические лучи форбуш-понижение interplanetary magnetic field solar wind MHD waves interplanetary shock geomagnetic storm cosmic rays Forbush decrease Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки РФ для ИКФИА СО РАН (FWRS-2021-0012) и государственного задания АН РС (Я) (приказ Минобрнауки РС(Я) № 01-03/32 от 01.01. 2023) The work was performed under Government assignment of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation for SHICRA SB RAS (FWRS-2021-0012) and Government assignment of AN RS (Ya) (Order of the Ministry of Science and Higher Education RS(Ya) No. 01-03/32 dated January 01, 2023)

Бережко Е.Г., Стародубцев С.А. Природа динамики спектра флуктуаций космических лучей. Известия АН СССР. Сер. физическая. 1988. Т. 53. С. 2361–2363. Barkhatov N.A., Belliustin N.S., Bougeret J.-L., Sakharov S.Yu., TokarevYu.V. Influence of the solar-wind magnetic field on the magnetosheath turbulence behind the bow shock. Radiophysics and Quantum Electronics. 2001, vol. 44, no. 12, pp. 915–923. 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. Berezhko E.G., Starodubtsev S.A. Nature of the dynamics of the cosmic-ray fluctuation spectrum. Bull. Academy of Sciences of USSR. Ser. Physics. 1988, vol. 52, pp. 2361–2363. (In Russian). Кравцова М.В., Сдобнов В.Е. Наземное возрастание интенсивности космических лучей на фазе спада 24 солнечного цикла: спектры и анизотропия. Известия РАН. Сер. физическая. 2021. Т. 85. С. 1194–1197. DOI: 10.31857/S036767 6521080147. Borovsky J.E. What magnetospheric and ionospheric researchers should know about the solar wind. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2020, vol. 204, 105271. DOI: 10.1016/j.jastp.2020.105271. Максимов Д.С., Когогин Д.А., Насыров И.А., Загретдинов Р.В. Влияние солнечных вспышек 5–12 сентября 2017 г. на региональную возмущенность ионосферы Земли по данным ГНСС-станций, расположенных в Приволжском Федеральном округе РФ. Солнечно-земная физика. 2023. Т. 9, № 2. С. 52–59. DOI: 10.12737/szf-92202306. Borovsky J.E. Further investigation of the effect of upstream solar-wind fluctuations on solar-wind/ magnetosphere coupling: Is the effect real? Front. Astron. Space Sci. 2023, vol. 9, 17 p. DOI: 10.3389/fspas.2022.975135. Рязанцева М.О., Рахманова Л.С., Ермолаев Ю.И. и др. Характеристики турбулентного потока солнечного ветра в областях компрессии плазмы. Косм. иссл. 2020. T. 58, № 6. C. 503–512. DOI: 10.31857/S002342062 0060096. Borovsky J.E., Funsten H.O. Role of solar wind turbulence in the coupling of the solar wind to the Earth’s magnetosphere. J. Geophys. Res. 2003, vol. 108, p. 1246. DOI: 10.1029/ 2002JA009601. Сафаргалеев В.В., Терещенко П.Е. Пульсации герцового диапазона на фазе восстановления магнитной бури 7–8.09.2017 г. и связь их динамики с изменениями параметров межпланетной среды. Геомагнетизм и аэрономия. 2019. Т. 59, № 3. С. 301–315. Bruno A., Christian E.R., de Nolfo G.A. Spectral analysis of the September 2017 solar energetic particle events. Space Weather. 2019, vol. 17, pp. 419–437. DOI: 10.1029/2018SW002085. Стародубцев С.А., Шадрина Л.П. Распределение МГД-турбулентности в окрестности переднего фронта крупномасштабных возмущений солнечного ветра. Геомагнетизм и аэрономия. 1998. Т. 38. С. 9–15. Clilverd M.A., Rodger C.J., Brundell J.B., Dalzell M., Martin I., Mac Manus D.H., et al. Long-lasting geomagnetically induced currents and harmonic distortion observed in New Zealand during the 7–8 September 2017 disturbed period. Space Weather. 2018, vol. 16, pp. 704–717. DOI: 10.1029/2018SW001822. Стародубцев С.А., Григорьев А.В., Григорьев В.Г. и др. Флуктуации космических лучей и ММП в окрестности фронтов межпланетных ударных волн. Известия РАН. Сер. физическая. 2007. Т. 71. С. 1022–1024. D’Amicis R., Perrone D., Vell M., Sorriso-Valvo L., Telloni D., Bruno R., De Marco R. Investigating Alfvénic turbulence in fast and slow solar wind streams. Universe. 2022, vol. 8, p. 352. DOI: 10.3390/universe8070352. Стародубцев С.А., Зверев А.С., Гололобов П.Ю., Григорьев В.Г. Флуктуации космических лучей и МГД-волны в солнечном ветре. Солнечно-земная физика. 2023. Т. 9. С. 78–85. DOI: 10.12737/szf-92202309. Desai M., Dayeh M., Ebert R., Smith C., Mason G., Li G. Ion acceleration at CME-driven shocks near the Earth and the Sun. Proc. IP Conf. 2012, vol. 1500, iss. 1, pp. 80–85. DOI: 10.1063/1.4768748. Струминский А.Б., Григорьева И.Ю., Логачев Ю.И., Садовский А.М. Солнечные электроны и протоны в событиях 4–7 сентября 2017 г. и сопутствующие явления. Физика плазмы. 2020. Т. 46, № 2. С. 139–153. 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. Топтыгин И.Н. Космические лучи в межпланетных магнитных полях. М.: Наука, 1983. 304 с. Despirak I.V., Setsko P.V., Sakharov Ya.A., Lubchich A.A. Geomagnetically induced currents during supersubstorms on September 7–8, 2017. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2023, vol. 87, no. 7, pp. 999–1006. DOI: 10.3103/ S1062873823702283. Яхнин А.Г., Яхнина Т.А. Особенности динамики электронов внешнего радиационного пояса с энергией 1 МэВ во время геомагнитных бурь 7–8 сентября 2017 года. Известия РАН. Сер. физическая. 2022. Т. 86, № 3. С. 349–354. DOI: 10.31857/S0367676522030279. Gololobov P., Starodubtsev S., Grigoryev V., Zverev A. NMDB and space weather forecasting. In: Cosmic ray studies with neutron detectors. 2023, vol. 2, pp. 69–80. DOI: 10.38072/ 2748-3150/p32. Barkhatov N.A., Belliustin N.S., Bougeret J.-L., et al. Influence of the solar-wind magnetic field on the magnetosheath turbulence behind the bow shock. Radiophysics and Quantum Electronics. 2001. Vol. 44, no. 12. P. 915–923. Grigoryev A.V., Starodubtsev S.A., Grigoryev V.G., Usoskin I.G., Mursula K. Fluctuations of cosmic rays and IMF in the vicinity of interplanetary shocks. Adv. Space Res. 2008, vol. 41, pp. 955–961. DOI: 10.1016/j.asr.2007.04.044. Borovsky J.E. What magnetospheric and ionospheric researchers should know about the solar wind. J. Atmos. Solar-Тerr. Phys. 2020. Vol. 204. 105271. DOI: 10.1016/j.jastp.2020.105271. Howard T. Coronal Mass Ejections: An Introduction. Astrophysics and Space Science Library. Springer Science+Business Media, LLC. 2011, vol. 376. DOI: 10.1007/978-1-4419-8789-1. Borovsky J.E. Further investigation of the effect of upstream solar-wind fluctuations on solar-wind/ magnetosphere coupling: Is the effect real? Front. Astron. Space Sci. 2023. Vol. 9. 17 p. DOI: 10.3389/fspas.2022.975135. Jankovicova D., Voros Z., Simkanin J. The influence of solar wind turbulence on geomagnetic activity. Nonlinear Processes Geophys. 2008, vol. 15, pp. 53–59. Borovsky J.E., Funsten H.O. Role of solar wind turbulence in the coupling of the solar wind to the Earth’s magnetosphere. J. Geophys. Res. 2003. Vol. 108. P. 1246. DOI: 10.1029/ 2002JA009601. Kravtsova M.V., Sdobnov V.E. Ground-Level Enhancement in the Intensity of Cosmic Rays during the Decay Phase of Solar Cycle 24: Spectra and Anisotropy. Bull. Russian Academy of Sciences: Physics. 2021, vol. 85, no. 8, pp. 919–921. DOI: 10.3103/S1062873821080128. Bruno A., Christian E.R., de Nolfo G.A. Spectral analysis of the September 2017 solar energetic particle events. Space Weather. 2019. Vol. 17. P. 419–437. DOI: 10.1029/2018SW002085. Luttrell A.H. Power Spectra of Low Frequency MHD Turbulence up- and downstream of interplanetary fast shocks within 1 au. Ann. Geophys. 1986, vol. 4, pp. 439–446. Clilver M.A., Rodger C.J., Brundell J.B., et al. Long-lasting geomagnetically induced currents and harmonic distortion observed in New Zealand during the 7–8 September 2017 disturbed period. Space Weather. 2018. Vol. 16. P. 704–717. DOI: 10.1029/2018SW001822. Luttrell A.H. Evidence for slow mode MHD Turbulence in the solar wind: post-shock observations at 0.31 AU. J. Geophys. Res. 1987, vol. 92, pp. 13653–13657. D’Amicis R., Perrone D., Vell M., et al. Investigating Alfvénic turbulence in fast and slow solar wind streams. Universe. 2022. Vol. 8. P. 352. DOI: 10.3390/universe8070352. Luttrell A.H., Richter A.K. Study of MHD Fluctuations upstream and downstream of quasiparallel interplanetary shocks. J. Geophys. Res. 1987, vol. 92, pp. 2243–2252. Desai M., Dayeh M., Ebert R., et al. Ion acceleration at CME-driven shocks near the Earth and the Sun. Proc. IP Conf. 2012. Vol. 1500, iss. 1. P. 80–85. DOI: 10.1063/1.4768748. Maksimov D.S., Kogogin D.A., Nasyrov I.A., Zagretdinov R.V. Effects of September 5–12, 2017 solar flares on regional disturbance of Earth’s ionosphere as recorded by GNSS stations located in the Volga Federal District of the Russian Federation. Solar-Terr. Phys. 2023, vol. 9, iss. 2, pp. 48–54. DOI: 10.12737/stp-92202306. Despirak I.V., Setsko P.V., Sakharov Ya.A., et al. Geomagnetically induced currents during supersubstorms on September 7–8, 2017. Bull. Russian Academy of Sciences: Physics. 2023. Vol. 87, no. 7. P. 999–1006. DOI: 10.3103/S1062873823 702283. Mishev A., Usoskin I., Raukunen O., Paassilta M., Valtonen E., Kocharov L., Vainio R. First analysis of ground-level enhancement (GLE72) on 10 September 2017: Spectral and anisotropy characteristics. Solar Phys. 2018, 293:136. DOI: 10.1007/s11207-018-1354-x. Gololobov P., Starodubtsev S., Grigoryev V., Zverev A. NMDB and space weather forecasting. Cosmic Ray Studies With Neutron Detectors. 2023. Vol. 2. P. 69–80. DOI: 10.38072/ 2748-3150/p32. Mostafa N., Ghamry E., Ellithi A., Gobashy M., Fathy A. Multi-space observations of the storm sudden commencement (September 2017) and its effect on the geomagnetic field. Adv. Space Res. 2022, vol. 70, pp. 641–651. DOI: 10.1016/j.asr.2022. 04.023. Grigoryev A.V., Starodubtsev S.A., Grigoryev V.G., et al. Fluctuations of cosmic rays and IMF in the vicinity of interplanetary shocks. Adv. Space Res. 2008. Vol. 41. P. 955–961. DOI: 10.1016/j.asr.2007.04.044. Pitna A., Safrankova J., Nemcek Z., Goncharov O., Němec F., Přech L., et al. Density fluctuations upstream and downstream of interplanetary shocks. Astrophys. J. 2016, vol. 819, pp. 41–50. DOI: 10.3847/0004-637X/819/1/41. Howard T. Coronal Mass Ejections: An Introduction. Astrophysics and Space Science Library. Springer Science+Business Media, LLC. 2011. Vol. 376. DOI: 10.1007/978-1-4419-8789-1. Rezeau L., Belmont G. Magnetic turbulence at the magnetopause, a key problem for understanding the solar wind/magnetosphere exchanges. Space Sci. Rev. 2001, vol. 95, pp. 427–441. Jankovicova D., Voros Z., Simkanin J. The influence of solar wind turbulence on geomagnetic activity. Nonlinear Processes Geophys. 2008. Vol. 15. P. 53–59. Riazantseva M.O., Rakhmanova L.S., YermolaevYu.I., Lodkina I.G., Zastenker G.N., Chesalina L.S. Characteristics of turbulent solar wind in plasma compression regions flow. Cosmic Res. 2020, vol. 58, no. 6, pp. 468–477. DOI: 10.1134/ S001095252006009X. Luttrell A.H. Power Spectra of Low Frequency MHD turbulence up- and downstream of interplanetary fast shocks within 1 AU. Ann. Geophys. 1986. Vol. 4. P. 439–446. 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. Luttrell A.H. Evidence for slow mode MHD turbulence in the solar wind: post-shock observations at 0.31 AU. J. Geophys. Res. 1987. Vol. 92. P. 13653–13657. Starodubtsev S.A., Grigoriev A.V., Grigoriev V.G., Usoskin I.G., Mursula K. Fluctuations of cosmic rays and IMF in the vicinity of interplanetary shock wave fronts. Bull. Russian Academy of Sciences: Physics. 2007, vol. 71, no. 7, pp. 991–993. DOI: 10.3103/S1062873807070295. Luttrell A.H., Richter A.K. Study of MHD fluctuations upstream and downstream of quasiparallel interplanetary shocks. J. Geophys. Res. 1987. Vol. 92. P. 2243–2252. Starodubtsev S.A., Shadrina L.P. Distribution of MHD turbulence in the vicinity of the leading front of large-scale solar wind disturbances. Geomagnetism and aeronomy. 1998, vol. 38, pp. 9–15. (In Russian). Mishev A., Usoskin I., Raukunen O., et al. First analysis of ground-level enhancement (GLE72) on 10 September 2017: Spectral and anisotropy characteristics. Solar Phys. 2018. 293:136. DOI: 10.1007/s11207-018-1354-x. Starodubtsev S.A., Zverev A.S., GololobovP.Yu., Grigoryev V.G. Cosmic ray fluctuations and MHD waves in the solar wind. Solar-Terr, Phys. 2023, vol. 9, pp. 73–80. DOI: 10.12737/ stp-92202309. Mostafa N., Ghamry E., Ellithi A., et al. Multi-space observations of the storm sudden commencement (September 2017) and its effect on the geomagnetic field. Adv. Space Res. 2022. Vol. 70. P. 641–651. DOI: 10.1016/j.asr.2022.04.023. Struminskii A.B., Grigor’eva I.Yu., LogachevYu.I., Sadovskii A.M. Solar electrons and protons in the events of September 4–10, 2017 and related phenomena. Plasma Physics Reports. 2020, vol. 46, no. 2, pp. 174–188. DOI: 10.1134/S1063 780X20020130. Pitna A., Safrankova J., Nemcek Z., et al. Density fluctuations upstream and downstream of interplanetary shocks. Astrophys. J. 2016. Vol. 819. P. 41–50. DOI: 10.3847/0004-637X/819/1/41. Toptygin I.N. Cosmic Rays in Interplanetary Magnetic Fields. Moscow, Nauka Publ., 1983, 304 p. (In Russian). Rezeau L., Belmont G. Magnetic turbulence at the magnetopause, a key problem for understanding the solar wind/magnetosphere exchanges. Space Sci. Rev. 2001. Vol. 95. P. 427–441. Yahnin A.G., Yahnina T.A.1 MeV Electron dynamics in the outer radiation belt during geomagnetic storms on September 7–8, 2017. Bull. Russian Academy of Sciences: Physics. 2022, vol. 86, no. 3, pp. 275–280. DOI: 10.3103/S10 62873822030273. URL: https://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/dst_provisional/index.html (дата обращения 21 января 2024 г.). URL: https://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/dst_provisional/index.html (accessed January 21, 2024). URL: http://pgia.ru/cosmicray (дата обращения 21 января 2024 г.). URL: http://pgia.ru/cosmicray (accessed January 21, 2024). URL: https://omniweb.gsfc.nasa.gov/ftpbrowser/wind_epact_step_flux_hr.html (дата обращения 21 января 2024 г.). URL: https://omniweb.gsfc.nasa.gov/ftpbrowser/wind_epact_step_flux_hr.html (accessed January 21, 2024). URL: https://omniweb.gsfc.nasa.gov/form/sc_merge_min1.html (дата обращения 21 января 2024 г.). URL: https://omniweb.gsfc.nasa.gov/form/sc_merge_min1.html (accessed January 21, 2024). URL: https://lweb.cfa.harvard.edu/shocks (дата обращения 21 января 2024 г.). URL: https://lweb.cfa.harvard.edu/shocks (accessed January 21, 2024). URL: https://umbra.nascom.nasa.gov/SEP (дата обращения 21 января 2024 г.). URL: https://umbra.nascom.nasa.gov/SEP (accessed January 21, 2024). URL: https://www.spaceweather.com (дата обращения 21 января 2024 г.). URL: https://www.spaceweather.com (accessed January 21, 2024).