Geomagnetism and AeronomyGeomagnetism and AeronomyГеомагнетизм и аэрономия0016-79403034-5022The Russian Academy of Sciences68619310.31857/S0016794024050029QRNHEZArticlesСтатьиResearch ArticleSolar Wind Low-Temperature Intervals and Forbush Decreases: A Statistical ComparisonНизкотемпературные периоды в солнечном ветре и Форбуш-понижения: статистическое сравнениеMelkumyanA. A.МелкумянА. А.
Russian Federation
abunina@izmiran.ruShlykN. S.ШлыкН. С.
Russian Federation
abunina@izmiran.ruBelovA. V.БеловА. В.
Russian Federation
abunina@izmiran.ruAbuninaM. A.АбунинаМ. А.
Russian Federation
abunina@izmiran.ruAbuninA. A.АбунинА. А.
Russian Federation
abunina@izmiran.ruOlenevaV. A.ОленеваВ. А.
Russian Federation
abunina@izmiran.ruYankeV. G.ЯнкеВ. Г.
Russian Federation
abunina@izmiran.ruPushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation of Russian Academy of Sciences (IZMIRAN)Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В.Пушкова РАН (ИЗМИРАН)1510202464560862327062025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/0016-7940/article/view/686193

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.

На основе большого экспериментального материала проводилось сопоставление почасовых значений протонной температуры и скорости солнечного ветра, вычислялась ожидаемая протонная температура и температурный индекс – отношение наблюдаемой температуры к ожидаемой. С использованием базы данных вариаций космических лучей, с 1997 по 2022 гг. были выделены низкотемпературные периоды – интервалы длительностью более 2 ч, в которых почасовые значения температурного индекса не превышают 0.5. В работе исследовались: а) статистические связи между параметрами низкотемпературных периодов и характеристиками Форбуш-понижений, связанных с разными типами солнечных источников; б) распределения параметров низкотемпературных периодов для межпланетных возмущений, содержащих или не содержащих магнитное облако. Полученные результаты показали, что с ростом длительности низкотемпературного периода доля событий, связанных с выбросами из активных областей, растет, а доля рекуррентных событий и событий, связанных с выбросами вне активных областей, уменьшается. Корреляция параметров низкотемпературных периодов с амплитудой Форбуш-понижения слабая, с экваториальной анизотропией космических лучей – умеренная, с северо-южной анизотропией – значительная. Скорость солнечного ветра и величина магнитного поля умеренно коррелируют с температурным индексом, а корреляция размаха этих параметров с длительностью низкотемпературных периодов значительная или сильная.

Forbush decreasessolar windinterplanetary disturbancescosmic raysФорбуш-понижениясолнечный ветермежпланетные возмущениякосмические лучиАбунина 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/S0016794021050023Белов 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/S0016794018030082Ермолаев 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.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/S0016794018020025Мелкумян 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/S0016794020040100Шлык 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/S0016794021060134Belov 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)00095-3Belov 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/S1743921309029676Belov 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-zBothmer 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_3Burlaga L.F., Ogilvie K.W. Heating of solar wind // ApJ. V. 159. P. 659–670. 1970. https://doi.org/10.1086/150340Burlaga 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/JA086iA08p06673Burlaga 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/GL009i012p01317Cane H.V. CMEs and Forbush decreases // Space Sci. Revs. V. 93. № 1–2. P. 55–77. 2000. https://doi.org/10.1023/A:1026532125747Chaddock R.E. Principles and Methods of Statistics (1st ed.). Boston: Houghton Mifflin Company, 471 p. 1925.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/s11207-009-9338-5Elliott 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/10.1029/2004JA010794Elliott 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/10.1029/2011JA017125Elliott 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/832/1/66Forbush 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.51.1108.3Gopalswamy 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_24Gopalswamy 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/710/2/1111Gosling 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/JA078i013p02001Gosling 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/GM058p0343Huttunen 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-23-625-2005Iucci 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.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-yKing 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/10.1029/2004JA010649Kumar 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/s11207-013-0465-7Lockwood J.A. Forbush decreases in the cosmic radiation // Space Sci. Revs. V. 12. № 5. P. 658–715. 1971.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/JA091iA02p01701Lopez 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/JA092iA10p11189Lynch 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/10.1029/2002JA009591Lynch 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/10.1029/2005JA011137Marubashi 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-25-2453-2007Matzka 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/10.1029/2020SW002641Matthaeus 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/10.1029/2006JA011636Melkumyan 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/staa3366Melkumyan 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/stac2017Neugebauer 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/JZ071i019p04469Neugebauer 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:1024478129261Richardson 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/10.1029/95JA02684Richardson 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.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.0000032689.52830.3eRichardson 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/s11207-010-9568-6Shlyk 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/stac478Zhang 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