Геомагнетизм и аэрономия, 2023, T. 63, № 4, стр. 534-544

3.1. Межпланетное магнитное поле и солнечный ветер

В таблице 2 приведены основные характеристики межпланетной среды с 20-го по 24-й циклы, поскольку непрерывные наблюдения скорости СВ и ММП начались с 1964 г. Видно, что спокойный характер 24-го цикла проявляется в средних величинах ММП Bmean = 5.27 ± 0.01 нТл и скорости СВ Vmean = 412.79 ± 0.30 км/с. Среднее значение ММП в 24-м цикле – минимальное по сравнению с другими циклами, так, например, оно на 27% меньше, чем в 21-м. А значение средней скорости СВ хоть и является наименьшим, но различие с другими циклами не столь значительное: от 4.2 до 9.5%.

3.2. Солнечные вспышки и протонные события

С 1976 г. рентгеновские вспышки практически бесперебойно регистрируются спутниками серии GOES. За это же время выделены околоземные возрастания потока протонов (или СПС), включая и самые слабые. В итоге имеются однородные данные за четыре полных солнечных цикла. Результаты приведены в табл. 3.

Можно видеть, что вспышек амплитудой ≥C1 в 24-м цикле было в 1.4–1.8 раза меньше, чем в предыдущих циклах СА, а вспышек ≥М1 – в 2–3 раза. Следует отметить, что в 21–23 СЦ максимальная мощность вспышки ограничивалась порогом детектора, а в 24-м зарегистрирована реальная величина максимума, который меньше порога детектора и меньше максимальных значений в предыдущих циклах.

Если говорить о протонных событиях, то их, как и вспышек, стало меньше в 2.5–3.2 раза. Но все средние и большие вспышки, можно сказать, более рационально “расходовались”, т.е. чаще приводили к регистрации СПС. Так, если в 21–22 СЦ, в среднем, одно СПС (>10 МэВ, ≥10 pfu) приходилось на ~2 вспышки с мощностью ≥X1, то в 23–24 СЦ количества таких событий сильно сблизились (в 23-м цикле зарегистрировано 108 вспышек ≥X1 и 120 СПС, а в 24-м цикле – 49 вспышек ≥X1 и 41 СПС). Естественно ожидать, что 24‑й цикл будет сильнее отличаться от 21–22 циклов, чем от переходного 23-го цикла.

В 24-м цикле СА зарегистрировано всего 5 наземных возрастаний солнечных КЛ (GLE) – приблизительно в 3 раза меньше, чем в четырех последних циклах (рис. 1). Отметим, что под термином GLE мы понимаем следующее: возрастание КЛ было зарегистрировано либо на нескольких нейтронных мониторах на уровне моря, либо как минимум на одном нейтронном мониторе (на уровне моря) и спутниковом детекторе. Поэтому в нашу базу данных были включены и совсем маленькие возрастания, не учитываемые многими другими авторами.

Рис. 1.

Моменты всех наземных возрастаний солнечных космических лучей (GLE) на фоне изменений чисел солнечных пятен.

3.3. Геомагнитные бури и Форбуш-эффекты

В Форбуш-эффектах, т.е. в вариациях КЛ (как правило, галактических), обусловленных КВМ и высокоскоростными потоками из КД [Forbush, 1938; Cane, 2000; Lockwood, 1971; Belov, 2009], хорошо проявляются спорадические и рекуррентные солнечные явления. Поэтому их удобно использовать для сравнения солнечной активности в различных циклах. Точнее, в шести последних циклах, поскольку ФЭ выделены и собраны в базу данных FEID с 1957 г. Количества различных ФЭ в 19–24-м циклах СА вместе с количеством геомагнитных бурь разной величины сведены в табл. 4.

На рис. 2 приведено соотношение количества и величины геомагнитных бурь и ФЭ с 19-го по 24-й циклы. Видно, как явно выделяется 24‑й цикл – менее выражены и геомагнитные бури, и Форбуш-эффекты по сравнению с предыдущими пятью циклами. Впервые появляются длительные (до 7 мес.) спокойные временны́е отрезки в начале и в конце цикла, когда магнитные бури и большие ФЭ не регистрировались совсем.

Рис. 2.

Соотношение геомагнитных бурь и Форбуш-эффектов.

В 24 СЦ впервые наблюдается непривычно малое количество геомагнитных бурь: всего 283, и 123 из них – это бури с Крmax = 5–. Заметим, что по количеству больших и очень больших бурь 24-й цикл оказался меньше своих предшественников в 3–4 раза, а исключительно больших геомагнитных бурь с Крmax = 9 в нем и вовсе не случилось. По-прежнему, в этом отношении сильно выделяется 19-й цикл. Зато по количеству спокойных дней (Крmax = 0) 24 СЦ ставит рекорд, здесь 11 “нулевых” дней, и главную лепту в эту цифру внес тишайший 2009 г., когда было 6 абсолютно спокойных дней.

На рис. 2 выделены периоды отсутствия геомагнитных бурь (отмечены эллипсами с номерами 1, 2 и 3). Период 1 продлился 8 мес.: c 12 октября 2008 г. по 23 июня 2009 г., если не считать один день 13 марта с одним трехчасовым интервалом малой магнитной бури (Крmax = 5–). Период 2 продолжался 7 мес.: с 31 августа 2009 г. по 4 апреля 2010 г. А период 3 ставит рекорд в 10 месяцев, продолжаясь с 27 октября 2019 г. по 27 августа 2020 г., если не считать 20 апреля 2020 г., когда был зарегистрирован один интервал с Крmax = 5–. В истории и ранее случались периоды без бурь, но не такие длинные.

Известна также сезонная зависимость ГА (см., например, [Cliver et al., 2002; Marques de Souza Franco et al., 2021 и ссылки в них]), связанная с наклоном оси Земли по отношению к силовым линиям ММП. Обычно весной и осенью ГА выше, чем зимой и летом. Поскольку имеются данные по ГА с 1932 г., можно сравнить средние месячные значения Ар-индекса геомагнитной активности 24-го цикла с семью его предшественниками (рис. 3). Хорошо видно, что 17–23-й циклы оказались более геоэффективными, чем 24-й цикл СА. Настолько, что даже максимальные мартовские и сентябрьские значения Ар в 24-м цикле оказались ниже минимальных усредненных значений за предыдущие семь циклов СА.

Рис. 3.

Сезонная зависимость среднемесячного Ap-индекса геомагнитной активности в 1932–2008 гг. (светло-серая кривая) и в последнем цикле (черная кривая). Вертикальными линиями показаны ошибки средних значений исследуемого параметра.

В 24-м цикле СА также значительно снизилось количество больших ФЭ: например, ФЭ величиной >5% оказалось всего 13, явно меньше, чем в 20–23-м циклах СА (см. табл. 4 и рис. 2). Самый большой ФЭ наблюдался 8 марта 2012 г., его амплитуда составила 11.2% (для сравнения: в 23-м цикле был зарегистрирован самый большой в истории наблюдений ФЭ (28%), а единственный сравнимый с ним по величине ФЭ (25%) был в далеком 1972 г.).

3.4. Корональные выбросы массы

Поскольку мы говорим о больших Форбуш-эффектах, которые обусловлены именно выбросами солнечного вещества, то изменения их количества должны быть связаны с количеством или какими-то другими свойствами КВМ. В табл. 5 приведены некоторые характеристики КВМ за последние два цикла СА.

Видно, что общее количество КВМ в 24-м цикле СА увеличилось, однако их средние и максимальные начальные скорости, стали меньше по сравнению с 23 СЦ. При этом также возросло количество зарегистрированных частичных гало, а полных гало стало несколько меньше. Подобные выводы были также получены в работах Zhang et al. [2021], Patel et al. [2022].

По-видимому, снижение скоростей КВМ привело к тому, что в 24-м цикле они стали менее эффективно модулировать КЛ, поскольку величина зарегистрированных ФЭ также заметно снизилась, как отмечалось ранее.

3.5. Анизотропия космических лучей

Мы рассмотрели проявления 24-го цикла в протонных вспышках, геомагнитных бурях и Форбуш-эффектах. Но даже такая “консервативная” характеристика КЛ, как анизотропия, проявилась заметным снижением в последнем цикле. В таблице 6 приведены значения экваториальной составляющей первой гармоники анизотропии КЛ (Axy) в исследуемые периоды. Поскольку для расчетов использовались часовые значения (и для каждого цикла получается около 100 тыс. ч), то ошибка средних значений не превышает 0.002%, поэтому не приводится. Из таблицы 6 видно, что в 19–23-м циклах СА средние величины анизотропии сильно не менялись (0.60–0.62%), а в 24-м цикле значение практически на 10% меньше. При этом максимальное зарегистрированное значение экваториальной анизотропии КЛ в 24 СЦ примерно в 2.4–2.8 раз меньше, чем в предыдущие циклы.

3.6. Высокоэнергичные магнитосферные электроны

Говоря об эффективности СА нельзя обойти обсуждение высокоэнергичных магнитосферных электронов, которые существенно влияют на спутниковую электронику [Baker, 2000; Belov et al., 2004; Pilipenko et al., 2006; Baker et al., 2018]. Максимальное зарегистрированное значение потока высокоэнергичных (>2 МэВ) магнитосферных электронов (E) в 24 СЦ примерно в 2 раза ниже, чем в 23 СЦ, и в 4 раза ниже, чем в 22 СЦ (см. табл. 7). Различия в средних значениях потока не такие явные, хотя и здесь в 24-м цикле наблюдались наименьшие величины. Можно заметить, что сравнение средних значений потока электронов является не вполне корректным, так как измерения велись в разные периоды разными детекторами с отличающимися нижними порогами чувствительности, это влияло на регистрацию слабых потоков, и, следовательно, на средние значения.

3.7. Усредненный и 24-й солнечные циклы

Мы решили сравнить 24-й цикл СА и усредненный цикл за период 17–23 СЦ. Для этого построили усредненный (по месяцам) солнечный цикл по числам пятен с усредненной (также по месяцам) ГА и сравнили с аналогичной кривой ГА 24-го цикла (рис. 4). В числах пятен явно видны два максимума: обычно первый максимум больше, чем второй. Отметим, что в 24-м цикле наоборот, второй максимум был выше первого. В поведении ГА также видны два широких максимума: первый примерно совпадает с максимумом чисел солнечных пятен, а второй приходится, в основном, на спад, когда заметно усиливается влияние потоков из КД. Также видно, что кривая 24-го цикла имеет много меньшие значения, но поведение ГА внутри цикла развивается по традиции циклов-предшественников.

Рис. 4.

Среднемесячные значения Ap-индекса (левая шкала) на фоне среднемесячных значений числа солнечных пятен (правая шкала) типичного 11-летнего цикла солнечной активности (17–23-й циклы, усредненные по фазам). Толстая темно-серая кривая – среднемесячные значения Ар (±2Σ, по годам), усредненные за 17–23-й циклы, толстая светло-серая кривая – то же за 24-й цикл (с 27-дневным скользящим усреднением). На горизонтальной шкале приведены порядковые номера года СЦ.

3.8. Спокойные 2009 и 2019 гг.

Возможно, самый удивительный год последних лет наблюдений относится к 24-му циклу – это 2009, который, по-видимому, можно считать самым спокойным в истории изучения солнечно-земных связей. Весь 2009 г. на Солнце не было значительных вспышек, даже слабых вспышек было мало. Самые большие за год рентгеновские вспышки были зарегистрированы в самом конце года в декабре, но и они не превысили уровень С8. Практически не было больших и/или геоэффективных выбросов солнечного вещества. Соответственно, отсутствовали и значительные Форбуш-эффекты. Максимальная величина ФЭ, зарегистрированного в 2009 г., составила всего 1.3% (для частиц с жесткостью 10 ГВ), а среднее значение для всех ФЭ – 0.63%.

Никогда ранее у Земли не было такого медленного и спокойного солнечного ветра. Средние за 2009 г. значения скорости СВ (364 км/с) и напряженности межпланетного магнитного поля (3.9 нТл) – самые низкие за все время межпланетных наблюдений. Самое низкое среднемесячное значение напряженности ММП (3.52 нТл) пришлось на апрель 2009 г.

Еще удивительнее сведения о геомагнитной активности в 2009 г., точнее сказать, о ее отсутствии. 2009 г. полностью изменил наши представления о том, насколько спокойным может быть магнитное поле Земли. Во все без исключения месяцы (от января до декабря) были зарегистрированы исторические минимумы среднемесячных Ap-индексов для соответствующих месяцев. Несколько раз за год изменялся абсолютный минимум среднемесячных значений, пока, наконец, не достиг значения 1.9 (в декабре). Мало сказать, что такие низкие Ap и Kp-индексы не наблюдались ранее, трудно было предположить, что такое спокойное геомагнитное поле вообще возможно. Долгое время годом с самым низким среднегодовым Ap-индексом 7.25 был 1934 г., но в 2008 г. минимум опустился до 6.93, а в 2009 г. еще намного ниже – до 3.92. За весь 2009 г. зарегистрированы только четыре геомагнитные бури (при обычной норме около 50), да и те малые и кратковременные.

В 2019 г. (минимум 24–25 СЦ) было большее количество дней без пятен, всего 281 день (77%), тогда как в 2009 г. было 260 дней (71%). Среднее значение Ap было 6.06, что значительно больше, чем в 2009 г., но меньше, чем во все остальные годы. Но все же было 18 дней с бурями и ни одного дня с Крmax = 0. Максимальное значение скорости СВ в 2019 г. составило 752 км/с, а среднее – 398 км/с. Напряженность межпланетного магнитного поля в этот период не превышала 18 нТл, а среднее значение составило 4.5 нТл.

Отметим также, что хотя по количеству ФЭ 2019 г. несколько превосходил 2009 г. (135 и 98 ФЭ, соответственно), то по максимальным и средним значениям амплитуды ФЭ был практически такой же (средний ФЭ – 0.62%, максимальный ФЭ – 1.6%).

3.9. Начало 25-го цикла СА

Прошедший 2022 г. выглядит довольно активным. Солнце очень быстро перешло из фазы минимума активности в недавнем 2020 г., в 2022 г., похожий на фазу максимума. Сравним первые годы нового цикла (табл. 8). Из таблицы видно, что вспышек средней и высокой мощности стало в 27 раз больше, а магнитных бурь вместо 8 (в 2020 г.) зарегистрировано уже 44 (в 2022 г.). Такого урожайного на бури года давно не было. Правда, практически все эти бури оказались малыми или умеренными, и только три – большими и одна – очень большой (в ноябре 2021 г. с Kpmax = 8–). Отметим, что похожими по количеству бурь были 2005 и 2015 гг., в них было зарегистрировано по 48 геомагнитных бурь, и только 20 лет назад (в 2003 г.) было зарегистрировано >50 бурь, а именно 63. Также пока не было особенно мощных протонных событий среди многочисленных солнечных вспышек. Происходящее похоже на нормальное начало нормального цикла. Пик СА в 25-м солнечном цикле скорее всего случится в конце 2023 – в первой половине 2024 г.

На рис. 5а показано изменение сглаженных чисел солнечных пятен по годам в 24-м (серая кривая) и 25-м (черная кривая) циклах СА. Видно, что 25-й цикл развивается немного быстрее, хотя, в целом, похоже. Особенно это наглядно в последние полтора года, с конца 2021 г. А вот геомагнитная активность (рис. 5б) более явно повышена в 25-м цикле по сравнению с 24-м. Так, за 3 года текущего цикла только в 6 месяцах серая кривая (24-й цикл) идет выше черной (25-й цикл), и это превышение всегда небольшое. А превышение черной кривой, т.е. Ар-индекса ГА, в 25-м цикле более частое и более значительное.

Рис. 5.

Изменение (а) числа солнечных пятен и (б) геомагнитной активности по годам 24 и 25-го циклов СА.