Solnechno-Zemnaya Fizika Solnechno-Zemnaya Fizika Солнечно-земная физика 2712-9640 30774 10.12737/szf-61202005 Результаты исследований Results of current research Результаты исследований Global disturbance of Earth’s magnetosphere and its connection with space weather Глобальная возмущенность магнитосферы Земли и ее связь с космической погодой Куражковская Надежда Андреевна Kurazhkovskaya Nadezhda Andreevna knady@borok.yar.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Геофизическая обсерватория «Борок» ИФЗ РАН Борок Россия Borok Geophysical Observatory of IPE RAS Borok Russian Federation 6 1 51 62 https://naukaru.ru/en/nauka/article/30774/view

Исследованы экстремальные состояния глобальной возмущенности магнитосферы: очень спокойное и сильно возмущенное — и их связь с параметрами межпланетной среды. Оценка степени глобальной возмущенности магнитосферы проводилась по месячному и годовому количеству магнитно-спокойных и магнитно-возмущенных дней. Выполнено сравнение циклических и сезонных распределений количества магнитно-спокойных и магнитно-возмущенных дней и проанализирована их связь с параметрами межпланетной среды с 20-го по 24-й циклы солнечной активности. Показано, что максимальное число магнитно-спокойных дней наблюдается на фазе подъема солнечной активности и в сезон зимнего солнцестояния, а максимальное число магнитно-возмущенных дней — на фазе спада солнечного цикла и в сезон равноденствий. Обнаружено аномальное возрастание числа спокойных дней в 24-м цикле солнечной активности по сравнению с предыдущими циклами. Установлено, что циклическая вариация годового числа спокойных и возмущенных дней определяется поведением и величиной скорости, температуры, динамического давления плазмы солнечного ветра и модулем напряженности межпланетного магнитного поля. Предполагается, что обнаруженный всплеск числа спокойных дней в фазу подъема 24-м солнечного цикла отражает внутренние процессы на Солнце и связанные с ними изменения параметров межпланетной среды. Закономерности циклической и сезонной вариации числа магнитно-спокойных и магнитно-возмущенных дней и их связь с параметрами солнечного ветра могут быть использованы для прогноза космической погоды.

This paper deals with extreme conditions of the global magnetosphere disturbance: very quiet and greatly disturbed, and their relationship with interplanetary medium parameters. The degree of global magnetosphere disturbance was estimated from the monthly and annual number of magnetically quiet and magnetically disturbed days. The cyclic and seasonal distributions of magnetically quiet and disturbed days were compared, and their relationship with interplanetary medium parameters in solar cycles 20–24 was analyzed. Magnetically quiet days are shown to be mainly observed at the ascending phase of solar activity and during the winter solstice season. Magnetically disturbed days dominate at the descending phase of the solar cycle and during the equinox season. An anomalously large increase in the number of quiet days was found in solar cycle 24 as compared to previous cycles. It has been established that the cyclic variation in the annual number of quiet and disturbed days is determined by the behavior and magnitude of the speed, temperature, dynamic pressure of solar wind plasma and the interplanetary magnetic field modulus. The detected burst in the number of quiet days during the ascending phase of solar cycle 24 is assumed to reflect internal processes on the Sun and related changes in interplanetary medium parameters. The patterns of cyclical and seasonal variation in the number of magnetically quiet and disturbed days and their relationship with the solar wind parameters can be used to predict space weather.

 магнитосфера геомагнитная активность космическая погода циклы солнечной активности магнитно-спокойные и магнитно-возмущенные дни параметры солнечного ветра. magnetosphere geomagnetic activity space weather solar activity cycles magnetically quiet and magnetically disturbed days solar wind parameters

Бархатов Н.А., Ревунова Е.А., Виноградов А.Б. Проявление ориентации магнитных облаков солнечного ветра в сезонной вариации геомагнитной активности // Космические исследования. 2014. Т. 52, № 4. С. 286-295. DOI: 10.7868/S0023420614040025. Ahluwalia H.S. Ap time variations and interplanetary magnetic field intensity. J. Geophys. Res. 2000, vol. 105, no. A12, pp. 27,481-27,487. DOI: 10.1029/2000JA900124 Веселовский И.С., Дмитриев А.В., Суворова А.В. Средние параметры солнечного ветра и межпланетного магнитного поля на орбите Земли за последние три цикла // Астрономический вестник. 1998. Т. 32, № 4. С. 352-358. Barkhatov N.A., Revunova E.A., Vinogradov A.B. Effect of orientation of the solar wind magnetic clouds on the seasonal variation of geomagnetic activity. Cosmic Res. 2014, vol. 52, no. 4, pp. 269-277. DOI: 10.1134/S0010952514040017. Гвишиани А.Д., Старостенко В.И., Сумарук Ю.П., и др. Уменьшение солнечной и геомагнитной активности с 19-го по 24-й цикл // Геомагнетизм и аэрономия. 2015. Т. 55, № 3. С. 314-322. DOI: 10.7868/S0016794015030098. Borovsky J.E., Denton M.H. Differences between CME-driven storms and CIR-driven storms. J. Geophys. Res. 2006, vol. 111, A07S08. DOI: 10.1029/2005JA011447. Дэспирак И.В., Любчич А.А., Клейменова Н.Г. Разные типы потоков солнечного ветра и суббури в высоких широтах // Геомагнетизм и аэрономия. 2019. Т. 59, № 1. С. 3-9. DOI: 10.1134/S001679401901005X. Burlaga L.F., Sittler E., Mariani F., Schwenn R. Magnetic loop behind an interplanetary shock: Voyager, Helios, and IMP 8 observations. J. Geophys. Res. 1981, vol. 86, pp. 6673-6684. Ермолаев Ю.И., Ермолаев М.Ю. Солнечные и межпланетные источники геомагнитных бурь: аспекты космической погоды // Геофизические процессы и биосфера. 2009. T. 8, № 1. С. 5-35. Chu X., McPherron R.L., Hsu T.-S., Angelopoulos V. Solar cycle dependence of substorm occurrence and duration: Implications for onset. J. Geophys. Res: Space Phys. 2015, vol. 120, pp. 2808-2818. DOI: 10.1002/2015JA021104. Макаров Г.А. Гелиоширотные закономерности магнитно-возмущенных дней со среднесуточным значением геомагнитного индекса Dst< -100 нТл // Солнечно-земная физика. 2018. Т. 4, № 3. С. 28-32. DOI: 10.12737/szf-43201803. Cortie A.L. Sunspot and Terrestrial magnetic phenomena, 1898-1911. Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 1912, vol. 73, pp. 52-60. Нусинов А.А., Руднева Н.М., Гинзбург Е.А., Дремухина Л.А. Сезонные вариации статистических распределений индексов геомагнитной активности // Геомагнетизм и аэрономия. 2015. Т. 55, № 4. С. 511-516. DOI: 10.7868/S0016794015040100. Despirak I.V., Lyubchich A.A., Kleimenova N.G. Solar Wind streams of different types and high-latitude substorms. Geomagnetism and Aeronomy. 2019, vol. 59, no. 1, pp. 1-6. DOI: 10.1134/S0016793219010055. Обридко В.Н., Канониди Х.Д., Митрофанова Т.А., Шельтинг Б.Д. Солнечная активность и геомагнитные возмущения // Геомагнетизм и аэрономия. 2013. Т. 53, № 2. С. 157-166. DOI: 10.7868/S0016794013010148. Gvishiani A.D., Soloviev A.A., Starostenko V.I., Sumaruk Y.P., Legostaeva O.V. A decrease in solar and geomagnetic activity from cycle 19 to cycle 24. Geomagnetism and Aeronomy. 2015, vol. 55, no. 3, pp. 299-306. DOI: 10.1134/S0016793215030093. Шевнин А.Д. Интервалы геомагнитного спокойствия по индексам Kp // Геомагнетизм и аэрономия. 2003. Т. 43, № 2. С. 225-230. Holappa L., Mursula K., Asikainen T. A new method to estimate annual solar wind parameters and contributions of different solar wind structures to geomagnetic activity. J. Geophys. Res: Space Phys. 2014, vol. 119, pp. 9407-9418. DOI: 10.1002/2014JA020599. Ahluwalia H.S. Ap time variations and interplanetary magnetic field intensity // J. Geophys. Res. 2000. V. 105, N A12. P. 27,481-27,487. DOI: 10.1029/2000JA900124. Hutchinson J.A., Wright D.M., Milan S.E. Geomagnetic storms over the last solar cycle: A superposed epoch analysis. J. Geophys. Res. 2011, vol. 116, A09211. DOI: 10.1029/2011JA016463. Borovsky J.E., Denton M.H. Differences between CME-driven storms and CIR-driven storms // J. Geophys. Res. 2006. V. 111, A07S08. DOI: 10.1029/2005JA011447. Kane R.P. The idea of space weather - a historical perspective. Adv. Space Res. 2006, vol. 37, pp. 1261-1264. DOI: 10.1016/j.asr.2006.01.014. Burlaga L.F., Sittler E., Mariani F., Schwenn R. Magnetic loop behind an interplanetary shock: Voyager, Helios, and IMP 8 observations // J. Geophys. Res. 1981. V. 86. P. 6673-6684. Katus R.M., Liemohn M.W., Ionides E.L., Ilie R., Welling D., Sarno-Smith L.K. Statistical analysis of the geomagnetic response to different solar wind drivers and the dependence on storm intensity. J. Geophys. Res: Space Phys. 2015, vol. 12, pp. 310-327. DOI: 10.1002/2014JA020712. Chu X., McPherron R. L., Hsu T.-S., Angelopoulos V. Solar cycle dependence of substorm occurrence and duration: Implications for onset // J. Geophys. Res: Space Phys. 2015. V. 120. P. 2808-2818. DOI: 10.1002/2015JA021104. Loewe C.A., Prӧlss G.W. Classification and mean behavior of magnetic storms. J. Geophys. Res. 1997, vol. 102, no. A7, pp. 14209-14213. DOI: 10.1029/96JA04020. Cortie A.L. Sunspot and terrestrial magnetic phenomena, 1898-1911 // Mon. Not. R. Astron. Soc. 1912. V. 73. P. 52-60. Makarov G.A. Heliolatitude regularities of magnetically disturbed days with daily average geomagnetic index Dst<-100 nT. Solar-Terr. Phys. 2018, vol. 4, no. 3, pp. 20-23. DOI: 10.12737/stp-43201803. Holappa L., Mursula K., Asikainen T. A new method to estimate annual solar wind parameters and contributions of different solar wind structures to geomagnetic activity // J. Geophys. Res: Space Phys. 2014. V. 119. P. 9407-9418. DOI: 10.1002/2014JA020599. McIntosh D.H. On the annual variation of magnetic disturbance. Philos. Trans. Roy. Soc. London. Ser. A. 1959, vol. 251, pp. 525-552. Hutchinson J.A., Wright D.M., Milan S.E. Geomagnetic storms over the last solar cycle: A superposed epoch analysis // J. Geophys. Res. 2011. V. 116, A09211. DOI: 10.1029/2011JA016463. McIntosh S.W., Leamon R.J., Dikpati M., et al. What the sudden death of solar cycles can tell us about the nature of the solar interior. Solar phys. 2019, vol. 294, no. 88. DOI: 10.1007/s11207-019-1474-y. Kane R.P. The idea of space weather - a historical perspective // Adv. Space Res. 2006. V. 37. P. 1261-1264. DOI: 10.1016/j.asr.2006.01.014. Newell P.T., Gjerloev J.W., Mitchell E.J. Space climate implications from substorm frequency. J. Geophys. Res: Space Phys. 2013, vol. 118, pp. 6254-6265. DOI: 10.1002/ jgra.50597. Katus R.M., Liemohn M.W., Ionides E.L., et al. Statistical analysis of the geomagnetic response to different solar wind drivers and the dependence on storm intensity // J. Geophys. Res: Space Phys. 2015. V. 12. P. 310-327. DOI: 10.1002/2014JA020712. Newell P.T., Liou K., Gjerloev J.W., Sotirelis T., Wing S., Mitchell E.J. Substorm probabilities are best predicted from solar wind speed. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2016, vol. 146, pp. 28-37. DOI: 10.1016/j.jastp.2016.04.019. Loewe C.A., Prӧlss G.W. Classification and mean behavior of magnetic storms // J. Geophys. Res. 1997. V. 102, N A7. P. 14209-14213. DOI: 10.1029/96JA04020. Nusinov A.A., Rudneva N.M., Ginzburg E.A., Dremukhina L.A. Seasonal variations in statistical distributions of geomagnetic activity indices. Geomagnetism and Aeronomy. 2015, vol. 55, no. 4, pp. 493-498. DOI: 10.1134/S0016793215040106. McIntosh D.H. On the annual variation of magnetic disturbance // Philos. Trans. Roy. Soc. London. Ser. A. 1959. V. 251. P. 525-552. Obridko V.N., Kanonidi Kh.D., Mitrofanova T.A., Shelting B.D. Solar activity and geomagnetic disturbances. Geomagnetism and Aeronomy. 2013, vol. 53, no. 2, pp. 147-156. DOI: 10.1134/S0016793213010143. McIntosh S.W., Leamon R.J., Dikpati M., et al. What the sudden death of solar cycles can tell us about the nature of the solar interior // Solar phys. V. 294, N 88. 2019. DOI: 10.1007/s11207-019-1474-y. Ouattara F., Amory-Mazaudier C., Menvielle M., Simon P., Legrand J.P. On the long term change in the geomagnetic activity during the 20th century. Ann. Geophys. 2009, vol. 27, pp. 2045-2051. DOI: 10.5194/angeo-27-2045-2009. Newell P. T., Gjerloev J. W., Mitchell E. J. Space climate implications from substorm frequency // J. Geophys. Res: Space Phys. 2013. V. 118. P. 6254-6265. DOI: 10.1002/jgra.50597. Papitashvili V.O., Papitashvili N.E., King J.H. Solar cycle effects in planetary geomagnetic activity: Analysis of 36-year long OMNI dataset. Geophys. Res. Lett. 2000, vol. 27, no. 17, pp. 2797-2800. DOI: 10.1029/2000GL000064. Newell P.T., Liou K., Gjerloev J.W., et al. Substorm probabilities are best predicted from solar wind speed // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2016. V. 146. P. 28-37. DOI: 10.1016/j.jastp.2016.04.019. Penn M.J., Livingston W. Long-term evolution of sunspot magnetic fields. Proc. IAU Symp. The Physics of Sun and Star Spots. 2010, vol. 273, pp. 126-133. Ouattara F., Amory-Mazaudier C., Menvielle M., et al. On the long term change in the geomagnetic activity during the 20th century // Ann. Geophys. 2009. V. 27. P. 2045-2051. DOI: 10.5194/angeo-27-2045-2009. Reeves G., Morley S., Cunningham G. Long-term variations in solar wind velocity and radiation belt electrons. J. Geophys. Res: Space Phys. 2013, vol. 118, pp. 1040-1048. DOI: 10.1002/jgra.50126. Papitashvili V.O., Papitashvili N.E., King J.H. Solar cycle effects in planetary geomagnetic activity: Analysis of 36-year long OMNI dataset // Geophys. Res. Lett. 2000. V. 27, N 17. P. 2797-2800. DOI: 10.1029/2000GL000064. Russell C.T., McPherron R.L. Semiannual variation of geomagnetic activity. J. Geophys. Res. 1973, vol. 78, pp. 92-108. Penn M.J., Livingston W. Long-term evolution of sunspot magnetic fields // Proc. IAU Symp. ʼʼThe Physics of Sun and Star Spotsʼʼ. 2010. V. 273. P. 126-133. Shevnin A.D. Quiet geomagnetic intervals as inferred from the Kp index. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 2003, vol. 43, no. 2, pp. 210-214. (In Russian). Reeves G., Morley S., Cunningham G. Long-term variations in solar wind velocity and radiation belt electrons // J. Geophys. Res: Space Phys. 2013. V. 118. P. 1040-1048. DOI: 10.1002/jgra.50126. Tanskanen E. I., Hynönen R., Mursula K. Seasonal variation of high-latitude geomagnetic activity in individual years. J. Geophys. Res: Space Phys. 2017, vol. 122, pp. 10,058-10,071. DOI: 10.1002/2017JA024276. Russell C.T., McPherron R.L. Semiannual variation of geomagnetic activity // J. Geophys. Res. 1973. V. 78. P. 92-108. Tsurutani B.T., Echer E., Gonzalez W.D. The solar and interplanetary causes of the recent minimum in geomagnetic activity (MGA23): a combination of midlatitude small coronal holes, low IMF Bz variances, low solar wind speeds and low solar magnetic fields. Ann. Geophys. 2011, vol. 29, pp. 839-849. DOI: 10.5194/angeo-29-839-2011. Tanskanen E.I., Hynönen R., Mursula K. Seasonal variation of high-latitude geomagnetic activity in individual years // J. Geophys. Res: Space Phys. 2017. V. 122. P. 10,058-10,071. DOI: 10.1002/2017JA024276. Veselovskii I.S., Dmitriev A.V., Suvorova A.V. Average parameters of the solar wind and interplanetary magnetic field at the Earth’s orbit for the last three solar cycles. Solar System Research. 1998, vol. 32, no. 4, pp. 310-315. Tsurutani B.T., Echer E., Gonzalez W.D. The solar and interplanetary causes of the recent minimum in geomagnetic activity (MGA23): a combination of midlatitude small coronal holes, low IMF Bz variances, low solar wind speeds and low solar magnetic fields // Ann. Geophys. 2011. V. 29. P. 839-849. DOI: 10.5194/angeo-29-839-2011. Vijaya Lekshmi D., Balan N., Tulasi Ram S., Liu J.Y. Statistics of geomagnetic storms and ionospheric storms at low and mid latitudes in two solar cycles. J. Geophys. Res. 2011, vol. 116, A11328. DOI: 10.1029/2011JA017042. Vijaya Lekshmi D., Balan N., Tulasi Ram S., Liu J.Y. Statistics of geomagnetic storms and ionospheric storms at low and mid latitudes in two solar cycles // J. Geophys. Res. 2011. V. 116, A11328. DOI: 10.1029/2011JA017042. Yermolaev Yu.I., Yermolaev M.Yu. Solar and interplanetary sources of geomagnetic storms: space weather aspects. Geofizicheskie protsessy i biosfera [Geophysical processes and biosphere]. 2009, vol. 8, no. 1, pp. 5-35. (In Russian). Yermolaev Y.I., Lodkina I.G., Nikolaeva N.S., Yermolaev M.Y. Occurrence rate of extreme magnetic storms // J. Geophys. Res: Space Phys. 2013. V. 118. P. 4760-4765. DOI: 10.1002/jgra.50467. Yermolaev Y.I., Lodkina I.G., Nikolaeva N.S., Yermolaev M.Y. Occurrence rate of extreme magnetic storms. J. Geophys. Res: Space Phys. 2013, vol. 118, pp. 4760-4765. DOI: 10.1002/jgra.50467. Zhang J.-C., Liemohn M.W., Kozyra J.U., et al. A statistical comparison of solar wind sources of moderate and intense geomagnetic storms at solar minimum and maximum // J. Geophys. Res. 2006. V. 111. A01104. DOI: 10.1029/2005JA011065. Zhang J.-C., Liemohn M.W., Kozyra J.U., Thomsen M.F., Elliott H.A., Weygand J.M. A statistical comparison of solar wind sources of moderate and intense geomagnetic storms at solar minimum and maximum. J. Geophys. Res. 2006, vol. 111, vol. A01104. DOI: 10.1029/2005JA011065. Zhang X.-Y., Moldwin M.B. The source, statistical properties, and geoeffectiveness of long-duration southward interplanetary magnetic field intervals // J. Geophys. Res: Space Phys. 2014. V. 119. P. 658-669. DOI: 10.1002/2013JA018937. Zhang X.-Y., Moldwin M.B. The source, statistical properties, and geoeffectiveness of long-duration southward interplanetary magnetic field intervals. J. Geophys. Res: Space Phys. 2014, vol. 119, pp. 658-669. DOI: 10.1002/ 2013JA018937. URL: http://swdcwww.kugi.kyoto-u.ac.jp/index.html (дата обращения 30 января 2019 г.). URL: http://swdcwww.kugi.kyoto-u.ac.jp/index.html (accessed January 30, 2019). URL: http://www.wdcb.ru/stp/data/storms/mag-netic_storms/ (дата обращения 16 января 2019 г.). URL: http://www.wdcb.ru/stp/data/storms/mag-netic_ storms/ (accessed January 16, 2019). URL: http://www.kakioka-jma.go.jp/obsdata/dataviewer/ (дата обращения 16 января 2019 г.). URL: http://www.kakioka-jma.go.jp/obsdata/dataviewer/ (accessed January 16, 2019). URL: http://omniweb.gsfc.nasa.gov/ow.html (дата обращения 30 января 2019 г.). URL: http://omniweb.gsfc.nasa.gov/ow.html (accessed January 30, 2019).