The impact of solar corpuscular radiation on the Earth's atmosphere: the current state of the problem

Authors

  • L. V. Raichenko S.I. Subbotin Institute of Geophysics, National Academy of Sciences of Ukraine, Ukraine

DOI:

https://doi.org/10.24028/gzh.0203-3100.v32i5.2010.117510

Abstract

Review of results has been given, which approve the hypothesis that solar cosmic rays (SCR) apparently play an important role in ionization of middle and lower atmosphere and may serve as a physical intermediary in solar-terrestrial climatic interrelations. Chains of interconnected processes in circumterrestrial space have been traced in the context of a system paradigm tectonosphere - atmosphere - ionosphere - magnetosphere, excited by SCR and solar wind. Possible trigger mechanisms of solar energy transfer to circumterrestrial space have been indicated. Possibility of enrichment of SCR by nuclei of heavy elements has been considered.

References

Авакян С. В. Физика солнечно-земных связей: некоторые результаты, проблемы и новые подходы//Геомагнетизм и аэрономия. - 2008. - 48, № 4. - С. 435-442.

Авдюшин С.И., Данилов А.Д. Солнце, погода и климат: сегодняшний взгляд на проблему // Геомагнетизм и аэрономия. - 2000. - 40, №5. - С. 3-15.

Базилевская Г.А., Крайнев М.Б., Махмутов В. С., Свиржевская А.К., Свиржевский И.С., Стожков Ю.И., Вашенюк Э.В. Солнечные протонные события с 1958 по 2001 г. // Геомагнетизм и аэрономия. - 2003. - 43, № 4. - С. 442-452.

Базилевская Г. А., Махмутов В. С., Свиржевская А.К., Свиржевский Н.М. Динамика потоков заряженных частиц в тропосфере Земли после 1990 г. // Изв. РАН. Сер. физ. - 2009. - 73, № 3. - С. 405-307.

Базилевская Г.А., Свиржевская А.К., Сладкова А.И. Связь между солнечными протонными со - бытиями и рентгеновскими всплесками раз - ных баллов на Солнце / / Геомагнетизм и аэрономия. - 2004. - 44, № 4. - С. 442 - 448.

Баранов Д. Т., Гагарин Ю. Ф., Дергачев В.А. Энергетические спектры ядер железа малых энергий галактического и солнечного происхождения // Изв. РАН. Сер. физ. - 2001. - 65, № 3. - С. 327-334.

Беленькая Е. С. Структура магнитосферного магнитного поля при различных направлениях магнитного поля солнечного ветра // Геомагнетизм и аэрономия. - 2004. - 44, № 3. - С. 421-418.

Белов А.В., Ерошенко Е.И., Мавромичишвили Е., Янке В. Г. Протонное событие 23 февраля 1956 г. по данным нейтронных мониторов // Изв. РАН. Сер. физ. - 2005. - 69, № 6. - С. 804-807.

Белов А. В., Ерошенко Е. И., Оленева В. А., Стру- минский А. Б., Янке В. Г. Чем обусловлены и с чем связаны Форбуш-эффекты? // Изв. РАН. Сер. физ. - 2001. - 65, № 3. - С. 290-297.

Богданов М.Б., Федоренко А.В. Влияние космических лучей на приземное атмосферное давление // Геомагнетизм и аэрономия. - 2004. - 44, № 1. - С. 13-16.

Ванина Л.Б., Данилов Н.Д. Взаимосвязь между /0 Б2 и к (100) стратосферы // Геомагнетизм и аэрономия. - 2003. - 43, № 5. - С. 660 - 668.

Винницкий А.В., Казанцева В.В. Взаимосвязь изменений параметров нижней атмосферы, характеристик ионосферы и геомагнитного поля на Северо-Востоке России // Оптика атмосферы и океана. - 2001. -14, № 10. - С. 970- 973.

Григоренко Е.И. О связи геомагнитных и ионосферных возмущений // Успехи соврем. радиоэлектроники. - 2003. - № 9. - С. 57-94.

Егорова Л.В., Вовк В.Я., Москвин И.В. Эффекты космических лучей и динамического давления солнечного ветра в вариациях атмосферных характеристик в районе Южного полюса // Геомагнетизм и аэрономия. - 2003. - 43, № 4. - С. 473-481.

Ермаков В.И., Стожков Ю.И. Роль грозовых облаков в механизме связи погоды с солнечной активностью // Геомагнетизм и аэрономия. - 2000. - 40, № 1. - С. 129-132.

Ермаков В.И., Стожков Ю.И. Влияние активных областей Солнца на глобальную грозовую активность и погоду на Земле // Кратк. сообщ. по физике ФИАН. - 2003. - № 3. - С. 9-25.

Зайцев А.Н., Далин П.А., Застенкер Г.Н. Резкие вариации потоков ионов солнечного ветра и аритмические изменения условий в околоземном пространстве // Геомагнетизм и аэрономия. - 2002. - 42, № 6. - С. 752-754.

Кокоуров В. Д. Минимальная частота отражений как одна из климатических характеристик верхней атмосферы // Геомагнетизм и аэрономия. - 2003. - 43, № 2. - С. 274-276.

Косогоров А. В. " Мгновенный ” отклик ионосферы на магнитные бури с внезапным началом // Материалы совещ., г. Иркутск, 25- 29.01.2001. - Иркутск, 2001.

Криволуцкий А.А., Куминов А.А., Репнев А. И. Влияние космических лучей на озоносферу Земли // Геомагнетизм и аэрономия. - 1999. - 39, № 3. - С. 3-15.

Кузнецов И.В. Вариации вертикального содержания озона над Антарктидой во время солнечных протонных событий в августе - ноябре 1989 г. // Геомагнетизм и аэрономия. - 2002. - 42, № 5. - С. 661-669.

Макарова Л. И., Широчков В. А., Нагурный А. Г., Шмутц В., Розанов Е. В. Оценка воздействия электрического тока, связанного с энергией солнечного ветра, на тепловое состояние средней стратосферы на к = 20-30 км // Докл. РАН. - 2004. - 394, № 3. - С. 402-406.

Моисеев А. В., Юмото К. Роль динамического давления солнечного ветра в характеристиках магнитосферно-ионосферных возмущений // Геомагнетизм и аэрономия. - 2003. - 43, № 5. - С. 620-634.

Переяслова И.К., Назарова М.Н., Петренко И.Е. Характеристики протонной активности Солнца в 19-23 солнечных циклах // Геомагнетизм и аэрономия. - 2005. - 45, № 3. - С. 329-335.

Пономарев Е.А., Урбанович В.Д., Немцова Э.И. К вопросу о передаче энергии из солнечного ветра в магнитосферу // Исследования по геомагнетизму и аэрономии и физике Солнца. - 2001. - № 112. - С. 66-77.

Райченко Л. В. О влиянии секторной структуры ММП на распространение частиц, ускоренных в малых вспышках на Солнце // Методика интерпретации и результаты исследований аномальных геофизических полей. - Киев: Наук. думка, 1982. - С. 127.

Райченко Л.В. Окончательный отчет по теме «Вариации космического излучения. Раздел 2: "Вариации солнечных космических лучей”». - Киев: Ин-т геофизики АН УССР, 1970. - С. 1- 184.

Рязанцева М.О., Далин П.А., Застенкер Г.Н. Скачки ионов в солнечном ветре // Косм. исследования. - 2003. - 41, № 4. - С. 405-416.

Сигаева Е.А., Володичев Н.Н. Проявления событий на Солнце и в межпланетном пространстве: потоки тепловых нейтронов вблизи земной коры // Тез. 6-й Укр. конф. по косм. исследованиям, г. Евпатория, 3-4 ноября 2006. - Евпатория, 2006. - С. 32-33.

Струминский А. В. Свидетельство длительного существования солнечных протонов с энергией > 100 МэВ в корональных структурах // Астрофиз. журн. - 2003. - 80, № 1. - С. 992- 1000.

Струминский А.В., Зимовец И.В. Длительное нетепловое излучение солнечных вспышек и эффект Нойперта//Письма в Астрофиз. журн. - 2008. - 34, № 10. - С. 777-787.

Сытинский М.Д., Боков В.Н., Обарин Д.А. Зависимость циркуляции атмосферы Земли от процессов на Солнце и в межпланетной среде // Геомагнетизм и аэрономия. - 2003. - 43, № 1. - С. 136-142.

Тимофеев В. Е., Григорьев В. Г., Морозова Е. И., Скрябин Н.Г., Обарин Д.А. Воздействие космических лучей на скрытую энергию атмосферы // Геомагнетизм и аэрономия. - 2003. - 43, № 5. - С. 683-687.

Филиппов А.Х., Тимофеев В.Е. Вспышки с энергиями частиц Е > 1 ГэВ в октябре - ноябре 2003 г. // Вестн. Якут. ун-та. - 2005. - 2, № 1. - С. 107-110.

Черногор Л. Ф. Земля - атмосфера - ионосфера - магнитосфера как открытая нелинейная система / / Тр. 5-й Рос. конф. по ат- мосф. электричеству, г. Владимир, 21-26 сент. 2003 г. - Владимир, 2003. - С. 23-36.

Шапиро А.А., Гончаренко Ю.В. Распространение радиоволн в тропосфере во время солнечных вспышек // Геомагнетизм и аэрономия. - 2003. - 43, № 5. - С. 669-672.

Bazielevskaya G.A. Observations of variability in cosmic rays // Space Sci. Rev. - 2000. - 94. - P. 25-38.

Brown J. C., Emslil A. G., Kontar E. P. The determination and use of mean electron flux spectrum in solar flares // Astrophys. J. - 2003. - 595, № 2. - P. 115-117.

Cander L. R., Michajlovich S. J. Ionospheric spacial and temporal variation during 29-31 October 2003 storm // J. Atmosph. Sol-Terr. Phys. - 2005. - 67, № 12. - P. 1118-1128.

Chanin M.L. Signature of 11-years cycle in the upper atmosphere // Space Sci. Rev. - 2006. - 125. - P. 261-272.

Cohen C. M. Change composition of highenergetic solar particles // Geophys. Res. Lett. - 1999. - 26, № 2. - P. 149-153.

Cohen C.M., Stone E.C. Heavy ion abundances and spectra from large solar proton events X-XI. 2003 // J. Geophys. Res. A. - 2005. - 110, № 9. - P. A09S16/1-A09S16/15.

Courtillot V., Le Mouel J.-L., Blanter E, Shirman M. Evolution of seasonal temperature disturbances, and solar forcing in the US North Pasific // J. Atmosph. Sol-Terr. Phys. - 2009. - doi:10:011/ j. jastr.

Cyr O.C.St, Howard R.A., Sheeley J.N.R., Plunkett S. P., Michels D. J., Paswaters S. E., Koonen M. J., Simnett G. M., Thompson B. J., Gurman J.B., Schwenn R., Webb D.F., Hildner E., Lamy P.L. Properties of coronal mass ejections: SOHO Lasco observations from January 1996 to June 1998//J. Geophys. Res. - 2000. - 105, № A8. - P. 18169-18185.

De Jager C., Usoskin I. On possible drivers of Sun- induced changes // J. Atmosph. Sol-Terr. Phys. - 2006. - 68. - P. 2053-2060.

Dorman L. I. Cosmic ray survey in Antarctica, an coupling functions for neutron component near solar minimum 1996-1997 // J. Geophys. Res. A. - 2000. - 105, № 9. - P. 2147-2156.

Ebihara M. C., Fok R. A., Wolf T., Immel J., Moore T.E. Influence of ionospheric conductivity on the ring current // J. Geophys. Res. - 2004. -

, № 8. - P. A08205/1 -A08205/14. - doi: 10.1029/2003JAD10351.

Fanggun Ju. Altitude variations of cosmic rays induced production of aerosols: implications for global cloudness and climate //J. Geophys. Res. A. - 2002. - 107, № A7. - P. SIA8/1-SIA8/10.

Farrell W. M., Desh M. D. Solar proton events and fair weather electric field at ground // Geophys. Res. Lett. - 2002. - 29, № 9. - P. 37/1-37/4.

Feldsteinn Y. J. Energy of magnetosphere during magneting storms // J. Atmosph. Sol-Terr. Phys. - 2003. - 65, № 4. - P. 429-446.

Fuller-Rowler T.J., Millward G.H., Richmond A.D., Codrescu M. V. Storm-time changes in the upper atmosphere at low latitudes // J. Atmosph. Sol- Terr. Phys. - 2002. - 64, № 12-14. - P. 1383-1391.

Gang Li, Zank G.P., Rice W.K.M. Acceleration and transport of heavy ions at coronal mass ejection- driven shocks // J. Geophys. Res. A. - 2005. -

, № 6. - P. A06104/1-A06104/14.

Harrison R. The global atmospheric electrical circuit and climate / / Surv. Geophys. - 2004. - 25, № 5-6. - P. 441-484.

Heynderieck D. Modeling of radiative belt in cosmic weather context // J. Atmosph. Sol-Terr. Phys. - 2002. - 64, № 6. - P. 1687-1710.

Ho G. G., Roelof E. C., Mason G. M. Upper limit on 3He fluence in solar energetic particle events// Astrophys. J. -2005. - 621, №2. -P. 1441-1444.

Huttunen K.E.J., Koskinen H.E.J. Importance of post-shock streams and sheath region as drivers of intense magnetospheric storms and high-latitude activity // Ann. Geophys. - 2004. - 22. - P. 1729-1739.

Jackman C.N., Mc Peters I., Labow G.J., Fleming E.L., Praderas C.J., Russell M. Northern hemisphere atmospheric effects due to July 2000 solar proton event 14-16.07.2000 // Geophys. Res. Lett. - 2001. - 28, № 15. - P. 2883- 2887. - doi:10.1029/2001GL013221.

Jakowski N., Wilken V., Schlueter S., Stankov S.M., Heisl S. Ionospheric space weather effects, monitored by simultaneous ground and space based GNSS signals // J. Atmosph. Sol-Terr. Phys. - 2005. - 67, № 12. - P. 1074-1084.

Jermakov V. I., Stozhkov J. I. Cosmic ray fluxes in the atmospheric processes // Proc. ISCS. Simpos. "Solar variability as input to the Earth Environment”, Taetranska Lomnice, Slovakia, 23-28 June 2003 (ESA SP-535, Sept. 2003). - Taetranska Lomnice, 2003. - P. 281-295.

Kazimirovsky E. Influence on ionosphere from underlined processes // Surv. Geophys. - 2003. - 24, № 2. - P. 139-184.

Kocharov J., Torsti J. He3 anomalious fluxes in solar cosmic rays // Astronom. J. - 2002. - 586, № 2. - P. 1430-1435.

Kozyra J. U., Liemohn M. W. Ring current energy input and decay / / Space Sci. Rev. - 2003. - 109. - P. 105-131.

Labitzke K., Van Loon H. 11-years cycle of activity and its influence on stratosphere // Space Sci. Rev. - 2000. - 94, № 1-2. - P. 78-259.

Lambour R.L., Coster A.J., Clouser R., Thornton L.E., Sharma J., Gott T.A. Operational impacts of space weather // Geophys. Res. Lett. - 2003. - 30, № 3. - P. 1-36. - doi:10.1029/2002GL0 15168.

Le Mouel J. L., Blanter E., Shirman M., Courtillot V. Evidence for solar forcing in variability of temperatures and pressures // J. Atmosph. Sol-Terr. Phys. - 2009a. - 71. - P. 1309-1321.

Le Mouel J.L., Kossobokov V., Couztillot V. A solar pattern in the longest temperature series from three Stations in Europe//J. Jost. p. - 20096. - 10.009. - doi:10.1016.

Lilensten J., Dudok de Witt T., Kretzsehmas M., Amblard P. O., Moussaoui S., Abautartham J., Auchere O. Review on the solar spectral variability in the EUV for space weather purposes // Ann. Geophys. - 2008. - 26. - P. 269-279.

Lindzen R. S., Choi Y. S. On the determination of climate feedbacks from ERBE data // Geophys. Res. Lett. - 2009. - 36. - P. GL 039628. - doi:10.1029.

Lockwood J. International Solar Cycle studies [ISCS]: Symposium "Solar variability as an input to the Earth Environment”, Taetranska Lomnice, 28 June 2003. - Taetranska Lomnice, 2003. - P. 317- 321.

Lohman G., Rimbu N., Dima M. Climate signature of solar irradience variations: analysis of longterm instrumental, historical and proxy data // Jnt. J. Climatology. - 2004. - 24, № 8. - P. 1045-1056.

Lopez R. E. Solar wind density control of energy transfer to magnetosphere // Geophys. Res. Lett. - 2004. - 31, № 8. - P. L8804/1-L8804/5.

Maltsew Y. P. Points of controversy in magnetic storm studies // Space Sci. Rev. - 2004. - 110, № 3-4. - P. 227-270.

Manucci A. L., Tsurutani B. T. Dayside global ionospheric response to the major interplanetary events of October 29-30.2003 // Geophys. Res. Lett. - 2005. - 32, № 12. - P. L12502/1 - L12502/4.

Markson R. Solar modulation of atmospheric electrification and possible implications for the Sun - weather relationship // Nature. - 1978. - 273. - P. 103-109.

Millan P. U, Lin R. P, Smith D. M., Mc Carthy M. P. Observations of relativistic electron precipitations during a rapid decrease of trapped electron flux // Geophys. Res. Lett. - 2007. - 34. - P. L10101. - doi:10.1029/1200GGL028653.

Olson R. H., Roberts W.O., Zerefors C. S. Short term relationship between solar flares, geomagnetic storms and tropospheric vorticity patterns // Nature. - 1975. - 257. - P. 113-121.

Onsager T. G., Rostoker G. Electron radiative belts precipitation // Geophys. Res. Lett. A. - 2002. - 107. - P. 1-11.

Osherovich V.A., Fainberg J., Stone R.G. Solar wind quasi-invariant as a new index of solar activity // Geophys. Res. Lett. - 1999. - 26, № 16. - P. 2557-2560. - doi:10.1029/1999 GL900583.

Reames D. V., Ng C. K. Heavy-element abundances in solar energetic particle events // Astrophys. J. - 2004. - 610, № 1. - P. 510-522.

Reid G. C. Solar variability and Earth's climate: introduction and overview // Space Sci. Rev. - 2000. - 94, № 1-8. - P. 1-11.

Scafetta N., Wilson R.C. ACRIM - gap, and TSI trend issuing a surface magnetic flux TSI proxy model // Geophys. Res. Lett. - 2008. - 36. - L05701. - doi:10.1029GL036307.

Scafetta N., West B.J. Phenomelogical reconstructions of the Solar signature in the Northern Hemisphere surface temperature records since 1600 // J. Geophys. Res. - 2007. - 112. - P. 24503.

Schroter J. B., Heber F., Steinhilber P., Kallenrode M. B. Energetic particles in the atmosphere: A Monte-Carlo simulation // Adv. Space Res. - 2006. - 87. - P. 1597-1601. - doi:10.1016 / J. Asr. 2005.05.085.

Sheping Sh. Morphology of global ionospheric disturbance during geomagnetic storms // J. Geophys. - 2003. - 46, № 1. - P. 11-17.

Shea M.A., Smart D.P. Solar proton and GLE events frequency: 1955-2000 // Proc. 27th Int. Cosmic Ray Conf. - Hamburg, 2001. - P. 3401- 3404.

Shirochkov A. V., Makarova L.N. Ionespheric effect of the simultaneous occurrence of the solar proton event and relativistic electron precipitation as recorded by ground - based instrument at different latitudes // J. Atmosph. Sol-Terr. Phys. - 2004. - 66, № 12. - P. 1035-1045.

Shrivastava Pankaj K., Singh G.N., Shrivastani D. Short-term influence of coronal mass ejections on geomagnetic disturbances // Indian. J. Radio Space Phys. - 2003. - 32, № 1. - P. 52-57.

Sinhuber U., Burrows J.P. Model investigations of Earth magnetic field influence on atmospheric composition during solar proton events // Geophys. Res. Lett. - 2003. - 30, № 15. - P. 1- 10.

Stozhkov J. I. The role of cosmic rays in the atmospheric processes // J. Phys. G. Nucl. Part. - 2002. - 28. - P. 12-17.

Svensmark H. Cosmoclimatology: a new theory emerges // Astronom. Geosc. - 2007. - 48. - P. 18-24.

Svensmark H. Cosmic rays and Earth's climate // Space Sci. Rev. - 2000. - 93, № 1-2. - P. 175- 185. - doi:10.1023/A:1026592411634.

Takerachi T., Russel C. T. Influence interplanetary shock wave orientation on geomagnetic storm with sudden onset//J. Geophys. Res. A. - 2002. - 107, № 12. - P. 1-7.

Temmer M., Veronig A., Rybak J., Braisa R., Hanslmeil A. On the 24-day period, observed in solar flares occurence // Sol. Phys. - 2004. - 221, № 2. - P. 325 - 335. - doi: 10.1023/B:SOLA. 0000035044.49564.8.

Tinsley B. A., Burns G. B., Zhou L. The role of the global electric circuit in solar and internal forcing of clouds and climate // Adv. Space Res. - 2007. - 40. - P. 1126-1139.

Troshichev O.A., Egorova L. V., Vovk V.Ja. Evidence for influence of solar wind variations on atmospheric temperatures in the southern polar regions // J. Atmosph. Sol-Terr. Phys. - 2003. - 65, № 8. - P. 947-956.

Turner N.E., Baker D.N. Energy content in the storm time ring current // J. Geophys. Res. - 2001. - 106, № 9. - P. 149-156.

Usoskin J. G., Desorgher L., Velinov P., Storini M., Fluckiger O., Butikofer R., Kovaltsov G. Ionization of the Earth Atmosphere by Solar and Galactic Cosmic Rays // Acta Geophysica. - 2009. - 57, № 1. - P. 88-101.

Usoskin J. G., Kovaltsov G. A. Cosmic ray induced ionization in the atmosphere: Full modeling and practical applicatios // J. Geophys. Res. - 2006. - 111. - P. 21206.

Usoskin J.G., Kovaltsov G.A. Cosmic rays and climate of the Earth: Possible connection // C. R. Geoscience. - 2008. - 340. - P. 441-450.

Velinov P., Mateew L. Improved cosmic ray ionization model for the system ionosphere - atmosphere . Calculation of electron production rate profiles // J. Atmosph. Sol-Terr. Phys. - 2007. - doi:10.1016/j. jastp. - 2007.08.049.

Veretenenko S., Theill P. Effects of energetic solar proton events on the cyclone development in the North Atlantie // J. Atmosph. Sol-Terr. Phys. - 2004. - 66. - P. 393-405.

Verronen Pekka T. Diurnal variation of ozone depletion during the Oct. - Nov. 2003 solar proton events // J. Geophys. Res. A. - 2005. - 110, № 9. - P. A0932/1-A0952/12.

Voisculescu M., Usoskin J. G., Mursula K. Different response of clouds at the solar input // Geophys. Res. Lett. - 2006. - 93. - P. L21802.

Weber C.L., Growley T.J., Vonder G., Schrier V.A. Solar irradiance forcing of centennial climate variability during Holocene // Clim. Dyn. - 2004. - 22, № 5. - P. 539-553.

Weber J. R. Generation of Be cosmogenic nucle- ars in Earth's atmosphere by cosmic rays: dependence from solar modulation // J. Geophys. Res. A. - 2003. - 108, № 2. - P. 2-7.

Wiens R.H., Bhatnagar V.P., Thuillier G. Geomagnetic storm heating effects on low-latitude day- side thermosphere from WIND II observation at equinox // J. Atmosph. Sol-Terr. Phys. - 2002. - 64, № 12. - P. 1393-1400.

Woods T. N., Eparvier F. G., Fontenia J., Harder J., Kopp G., Mc Clinton W.E., Rottman G., Smilley B., Snow M. Solar irradiance variability during the October 2003 solar storm period//Geophys. Res. Lett. - 2004. - 31. - P. L02301. - doi:10.1029/ 2003GL0185841.

Yin Suingun. Solar flare statistical study during 22 th solar cycle // Nanjig Univ. Nature. Sci. - 2002. - 38, № 4. - P. 457-461.

Zhang J., Dere K. P. Geomagnetic disturbances solar sources in 1996-2000 yrs // Astronom. J. - 2003. -582, № 1. - P. 520-533.

Zank G.P., Rice W.K., Wu C.C. Acceleration of solar particles by CMEs // J. Geophys. Res. A. - 2000. - 105, № 11. - P. 25079-25095.

Published

2010-10-01

How to Cite

Raichenko, L. V. (2010). The impact of solar corpuscular radiation on the Earth’s atmosphere: the current state of the problem. Geofizičeskij žurnal, 32(5), 82–101. https://doi.org/10.24028/gzh.0203-3100.v32i5.2010.117510

Issue

Section

Articles