Solar Wind Low-Temperature Intervals and Forbush Decreases: A Statistical Comparison

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Based on a large amount of experimental material, the hourly values of the solar wind speed and proton temperature were compared; the expected proton temperature and the temperature index (the ratio of the observed temperature to the expected one) were calculated. Using the Cosmic Ray Variations Database, from 1997 to 2022 low-temperature intervals were identified (intervals lasting more 2 hours, in which hourly values of the temperature index less than 0.5). The work investigated: a) statistical relationships between the parameters of low-temperature intervals and the characteristics of Forbush decreases associated with different types of solar sources; b) distributions of parameters of low-temperature intervals for interplanetary disturbances containing or not containing a magnetic cloud. The results obtained showed that with increasing duration of the low-temperature interval, the proportion of events associated with ejections from active regions increases, and the proportion of recurrent events and events associated with ejections outside active regions decreases. The correlation of the parameters of low-temperature intervals with the amplitude of Forbush decreases is weak, with the equatorial anisotropy of cosmic rays – moderate, with the north-south anisotropy – significant. The solar wind speed and magnetic field strength correlate moderately with the temperature index, and the correlation of the range of these parameters with the duration of low-temperature intervals is significant or strong.

Full Text

Restricted Access

About the authors

A. A. Melkumyan

Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation of Russian Academy of Sciences (IZMIRAN)

Email: abunina@izmiran.ru
Russian Federation, Moscow, Troitsk

N. S. Shlyk

Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation of Russian Academy of Sciences (IZMIRAN)

Email: abunina@izmiran.ru
Russian Federation, Moscow, Troitsk

A. V. Belov

Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation of Russian Academy of Sciences (IZMIRAN)

Email: abunina@izmiran.ru
Russian Federation, Moscow, Troitsk

M. A. Abunina

Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation of Russian Academy of Sciences (IZMIRAN)

Author for correspondence.
Email: abunina@izmiran.ru
Russian Federation, Moscow, Troitsk

A. A. Abunin

Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation of Russian Academy of Sciences (IZMIRAN)

Email: abunina@izmiran.ru
Russian Federation, Moscow, Troitsk

V. A. Oleneva

Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation of Russian Academy of Sciences (IZMIRAN)

Email: abunina@izmiran.ru
Russian Federation, Moscow, Troitsk

V. G. Yanke

Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation of Russian Academy of Sciences (IZMIRAN)

Email: abunina@izmiran.ru
Russian Federation, Moscow, Troitsk

References

  1. Абунина М.А., Белов А.В., Шлык Н.С., Ерошенко Е.А., Абунин А.А., Оленева В.А., Прямушкина И.И., Янке В.Г. Форбуш-эффекты, созданные выбросами солнечного вещества с магнитными облаками // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 61. № 5. С. 572–582. 2021. https://doi.org/10.31857/S0016794021050023
  2. Белов А.В., Ерошенко Е.А., Янке Г.В., Оленева В.А., Абунина М.А., Абунин А.А. Метод глобальной съемки для мировой сети нейтронных мониторов // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 58. № 3. С. 374–389. 2018. https://doi.org/10.7868/S0016794018030082
  3. Ермолаев Ю.И., Николаева Н.С., Лодкина И.Г., Ермолаев М.Ю. Каталог крупномасштабных явлений солнечного ветра для периода 1976–2000 гг. // Космич. исслед. Т. 47. № 2. С. 99–113. 2009.
  4. Мелкумян А.А., Белов А.В., Абунина М.А., Абунин А.А., Ерошенко Е.А., Оленева В.А., Янке В.Г. Основные свойства Форбуш-эффектов, связанных с высокоскоростными потоками из корональных дыр // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 58. № 2. С. 163–176. 2018. https://doi.org/10.7868/S0016794018020025
  5. Мелкумян А.А., Белов А.В., Абунина М.А., Абунин А.А., Ерошенко Е.А., Оленева В.А., Янке В.Г. Поведение скорости и температуры солнечного ветра в межпланетных возмущениях, создающих Форбуш-понижения // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 60. № 5. С. 547–556. 2020. https://doi.org/10.31857/S0016794020040100
  6. Шлык Н.С., Белов А.В., Абунина М.А., Ерошенко Е.А., Абунин А.А., Оленева В.А., Янке В.Г. Влияние взаимодействующих возмущений солнечного ветра на вариации галактических космических лучей // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 61. № 6. С. 694–703. 2021. https://doi.org/10.31857/S0016794021060134
  7. Belov A.V., Eroshenko E.A., Oleneva V.A., Struminsky A.B., Yanke V.G. What determines the magnitude of forbush decreases? // Adv. Space Res. V. 27. № 3. P. 625–630. 2001. https://doi.org/10.1016/S0273-1177(01)00095-3
  8. Belov A.V. Forbush effects and their connection with solar, interplanetary and geomagnetic phenomena // Proc. IAU Symposium. № 257. P. 119–130. 2009. https://doi.org/10.1017/S1743921309029676
  9. Belov A., Abunin A., Abunina M., Eroshenko E., Oleneva V., Yanke V., Papaioannou A., Mavromichalaki H. Galactic cosmic ray density variations in Magnetic Clouds // Solar Phys. V. 290. P. 1429–1444. 2015. https://doi.org/10.1007/s11207-015-0678-z
  10. Bothmer V., Zhukov A. The Sun as the prime source of space weather. In: Space Weather- Physics and Effects. Springer Praxis Books. Springer, Berlin, Heidelberg. P. 31–102. 2007. https://doi.org/10.1007/978-3-540-34578-7_3
  11. Burlaga L.F., Ogilvie K.W. Heating of solar wind // ApJ. V. 159. P. 659–670. 1970. https://doi.org/10.1086/150340
  12. Burlaga L., Sittler E., Mariani F., Schwenn R.J. Magnetic loop behind an interplanetary shock: Voyager, Helios, and IMP 8 observations // J. Geophys. Res. V. 86. P. 6673–6684. 1981. https://doi.org/10.1029/JA086iA08p06673
  13. Burlaga L., Klein L., Sheeley N.R. Jr., Michels D.J., Howard R.A., Koomen M.J., Schwenn R., Rosenbauer H. A magnetic cloud and a coronal mass ejection // Geophys. Res. Lett. V. 9. № 12. P. 1317–1320. 1982. https://doi.org/10.1029/GL009i012p01317
  14. Cane H.V. CMEs and Forbush decreases // Space Sci. Revs. V. 93. № 1–2. P. 55–77. 2000. https://doi.org/10.1023/A:1026532125747
  15. Chaddock R.E. Principles and Methods of Statistics (1st ed.). Boston: Houghton Mifflin Company, 471 p. 1925.
  16. Demouline P. Why Do Temperature and Velocity Have Different Relationships in the Solar Wind and in Interplanetary Coronal Mass Ejections? // Sol. Phys. V. 257. P. 169–184. 2009. https://doi.org/10.1007/s11207-009-9338-5
  17. Elliott H.A., McComas D.J., Schwadron N.A., Gosling J.T., Skoug R.M., Gloeckler G., Zurbuchen T.H. An improved expected temperature formula for identifying interplanetary coronal mass ejections // J. Geophys. Res. V. 110. № A4. ID A04103. 2005. https://doi.org/10.1029/2004JA010794
  18. Elliott H.A., Henney C.J., McComas D.J., Smith C.W., Vasquez B.J. Temporal and radial variation of the solar wind temperature-speed relationship // J. Geophys. Res. Space. V. 117. ID A09102. 2012. https://doi.org/10.1029/2011JA017125
  19. Elliott H.A., McComas D.J., DeForest C.E. Long-term trends in the solar wind proton measurements // Astrophys.J. V. 832. № 1. ID. 66. 2016. https://doi.org/10.3847/0004-637X/832/1/66
  20. Forbush S.E. On the effects in the cosmic-ray intensity observed during magnetic storms // Phys. Rev. V. 51. P. 1108–1109. 1937. https://doi.org/10.1103/PhysRev.51.1108.3
  21. Gopalswamy N., Akiyama S., Yashiro S., Mäkelä P. Coronal Mass Ejections from Sunspot and non-Sunspot Regions. In Magnetic Coupling between the Interior and the Atmosphere of the Sun, eds. Hasan S. S. and Rutten R. J., Astrophysics and Space Science Proc., Springer Berlin Heidelberg. P. 289–307. 2010а. https://doi.org/10.1007/978-3-642-02859-5_24
  22. Gopalswamy N., Xie H., Mäkelä P., Akiyama S., Yashiro S., Kaiser M.L., Howard R.A., Bougeret J.-L. Interplanetary shocks lacking type II radio bursts // Astrophys. J. V. 710. № 2. P. 1111–1126. 2010b. https://doi.org/10.1088/0004-637X/710/2/1111
  23. Gosling J.T., Pizzo V., Bame S.J. Anomalously low proton temperatures in the solar wind following interplanetary shock waves – Evidence for magnetic bottles? // J. Geophys. Res. V. 78. № 13. P. 2001–2009. 1973. https://doi.org/10.1029/JA078i013p02001
  24. Gosling J.T. Coronal mass ejections and magnetic flux ropes in interplanetary space // Geophys. Monogr. V. 58. P. 343–364, 1990. https://doi.org/10.1029/GM058p0343
  25. Huttunen K.E.J., Schwenn R., Bothmer V., Koskinen H.E.J. Properties and geoeffectiveness of magnetic clouds in the rising, maximum and early declining phases of solar cycle 23 // Annales Geophysicae. V. 23. № 2. P. 625–641. 2005. https://doi.org/10.5194/angeo-23-625-2005
  26. Iucci N., Parisi M., Storini M., Villoresi G. Forbush decreases: origin and development in the interplanetary space // Nuovo Cimento C. V. 2. P. 1–52. 1979.
  27. Kim R.S., Gopalswamy N., Cho K.S., Moon Y.J., Yashiro S. Propagation Characteristics of CMEs associated with Magnetic Clouds and Ejecta // Solar Physics. V. 284. № 1. P.77–88. 2013. https://doi.org/10.1007/s11207-013-0230-y
  28. King J.H., Papitashvili N.E. Solar wind spatial scales in and comparisons of hourly Wind and ACE plasma and magnetic field data // J. Geophys. Res. V. 110. I. A2. A02104. 2005. https://doi.org/10.1029/2004JA010649
  29. Kumar A., Badruddin. Interplanetary coronal mass ejections, associated features, and transient modulation of galactic cosmic rays // Solar Phys. V. 289. P. 2177–2205. 2014. https://doi.org/10.1007/s11207-013-0465-7
  30. Lockwood J.A. Forbush decreases in the cosmic radiation // Space Sci. Revs. V. 12. № 5. P. 658–715. 1971.
  31. Lopez R.E., Freeman J.W. The solar wind proton temperature-velocity relationship // J. Geophys. Res. V. 91. P. 1701–1705. 1986. https://doi.org/10.1029/JA091iA02p01701
  32. Lopez R.E. Solar cycle invariance in solar wind proton temperature relationships // J. Geophys. Res. V. 92. P. 11189–11194. 1987. https://doi.org/10.1029/JA092iA10p11189
  33. Lynch B.J., Zurbuhen T.H., Fisk L.A., Antiochos S.K. Internal structure of magnetic clouds: Plasma and composition // Journal of Geophysical Research Space Physics. V. 108. № A6. ID 1239. 2003. https://doi.org/10.1029/2002JA009591
  34. Lynch B.J., Gruesbeck J.R., Zurbuchen T.H., Antiochos S.K. Solar cycle–dependent helicity transport by magnetic clouds // Journal of Geophysical Research. V. 110. № A8. ID A08107. 2005. https://doi.org/10.1029/2005JA011137
  35. Marubashi K., Lepping R.P. Long-duration magnetic clouds: a comparison of analyses using torus- and cylinder-shaped flux ropes models // Annales Geophysicae. V. 25. № 11. P. 2453–2477. 2007. https://doi.org/10.5194/angeo-25-2453-2007
  36. Matzka J., Stolle C., Yamazaki Y., Bronkalla O., Morschhauser A. The geomagnetic Kp index and derived indices of geomagnetic activity // Space Weather. V. 19. № 5. Article ID e2020SW002641. 2021. https://doi.org/10.1029/2020SW002641
  37. Matthaeus W.H., Elliot H.A., McComas D.J. Correlation of speed and temperature in the solar wind // J. Geophys. Res. V. 111. № A10. ID A10103. 2006. https://doi.org/10.1029/2006JA011636
  38. Melkumyan A.A., Belov A.V., Abunina M.A., Abunin A.A., Eroshenko E.A., Yanke V.G., Oleneva V.A. Solar wind temperature-velocity relationship over the last five solar cycles and Forbush decreases associated with different types of interplanetary disturbance // MNRAS. V. 500. № 3. P. 2786–2797. 2021. https://doi.org/10.1093/mnras/staa3366
  39. Melkumyan A.A., Belov A.V., Abunina M.A., Shlyk N.S., Abunin A.A., Oleneva V.A., Yanke V.G. Forbush decreases associated with coronal mass ejections from active and non-active regions: statistical comparison // MNRAS. V. 515. № 3. P. 4430–4444. 2022. https://doi.org/10.1093/mnras/stac2017
  40. Neugebauer M., Snyder C.W. Mariner 2 Observations of the solar wind: 1. Average properties // J. Geophys. Res. V. 71. P. 4469–4484. 1966. https://doi.org/10.1029/JZ071i019p04469
  41. Neugebauer M., Steinberg J.T., Tokar R.L., Barraclough B.L., Dors E.E., Wiens R.C., Gingerich D.E., Luckey D., Whiteaker D.B. Genesis on-board determination of the solar wind flow regime // Space Sci. Rev. V. 105. P. 661–679. 2003. https://doi.org/10.1023/A:1024478129261
  42. Richardson I.G., Cane H.V. Regions of abnormally low proton temperature in the solar wind (1965–1991) and their association with ejecta // J. Geophys. Res. V. 100. № A12. P. 23397–23412. 1995a. https://doi.org/10.1029/95JA02684
  43. Richardson I.G., Cane H.V. Regions of abnormally low proton temperature as signatures of ejecta in the solar wind and their solar cycle dependence / 24th ICRC. Rome, Italy, 1995. V. 4. P. 868–871. 1995b.
  44. Richardson I.G. Energetic Particles and Corotating Interaction Regions in the Solar Wind // Space Sci. Rev. V. 111. № 3. P. 267–376. 2004. https://doi.org/10.1023/B:SPAC.0000032689.52830.3e
  45. Richardson I.G., Cane H.V. Near-Earth interplanetary coronal mass ejections during solar cycle 23 (1996–2009): Catalog and summary of properties // Solar Phys. V. 264. № 1. P. 189–237. 2010. https://doi.org/10.1007/s11207-010-9568-6
  46. Shlyk N.S, Belov A.V., Abunina M.A., Abunin A.A., Oleneva V.A., Yanke V.G. Forbush decreases caused by paired interacting solar wind disturbances // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. V. 511. № 4. P. 5897–5908. 2022. https://doi.org/10.1093/mnras/stac478
  47. Zhang G., Burlaga L. Magnetic clouds, geomagnetic disturbances, and cosmic ray decreases // J. Geophys. Res. V. 93. № A4. P. 2511–2518. 1988. https://doi.org/10.1029/JA093iA04p02511

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Example of FP from the CME+MC group.

Download (79KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Histograms of SUM, B, and KT parameters in the FULL and FD groups (SUM = 3.64 in the FULL group, B = 47.9 nTL in both groups are not shown for scale reasons).

Download (54KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Proportion of events associated with solar sources of different types for NTP durations > 2 h, 10 h, 18 h, and 40 h.

Download (31KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Scatter plots of the parameters DUR, KT, SUM, CR, B, V in the CME1, CME2, MIX, and CH groups (for scale considerations, the values of B = 47.90 nTL, B = 33.53 nTL, B = 30.78 nTL, V = 1069 km/s in the CME1 group, and CR = 11.58 % in the MIX group are not shown).

Download (45KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Histograms of the parameters DUR, KT, SUM, CR, B, V in the FD+MC and FD-MC groups (for scale reasons, the values B = 47.90 nTL, V = 1069 km/s in the FD+MC group and B = 33.53 nTL, B = 30.78 nTL, CR = 11.58 % in the FD-MC group are not shown).

Download (71KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Plots of the cumulative distribution function of DUR and KT parameters in CME+MC and CME-MC groups.

Download (32KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».