大量的研究表明，絕大多數(shù)急始型的大地磁暴都是由快速日冕物質拋射(簡稱CME)引起的。位于拉格朗日點的ACE衛(wèi)星可以提供近實時的太陽風數(shù)據(jù)，但依據(jù)ACE衛(wèi)星太陽風數(shù)據(jù)進行地磁暴預報，時間的提前量非常有限，對于大地磁暴，這個時間提前量往往不超過30分鐘，這樣的時間提前量對于實際應用來說，是不能令人滿意的。因此，如何更早地探測CME，以便能更早地進行磁暴預報就變得非常有價值。 當行星際空間有CME朝向地球運動時，一部分銀河宇宙線在穿過行星際空間時要穿過CME或遇到CME而折射到達地面，銀河宇宙線的速度很高，它們比CME要提前到達地面。銀河宇宙線穿過行星際空間到達地面時，它已經(jīng)打上了“行星際環(huán)境的烙印”。正是由于這個特性，國際上很多科學家試圖利用磁暴前銀河宇宙線強度變化的先兆特征來進行地磁暴預報。 國際上銀河宇宙線與CME之間的關系已經(jīng)進行了很長時間的研究，用銀河宇宙線進行地磁暴預報主要分為利用銀河宇宙線的各向異性特征的變化來進行地磁暴預報或利用銀河宇宙線強度譜的變化來進行地磁暴預報。其中用銀河宇宙線強度的各向異性特征進行的地磁暴前兆分析研究需要用到多個臺站的觀測數(shù)據(jù)，而且目前還不能用到實際預報中。磁暴前銀河宇宙線強度的譜分析主要還是采用最大熵方法和Fourier方法，盡管得到不少結果，但離實際應用還是有一定的距離。 本文試圖應用多種方法來尋找地磁暴前銀河宇宙線強度變化的先兆特征，從而為利用銀河宇宙線強度的一些特征來進行地磁暴的預報。 我們利用McMurdo和Thule兩個臺站的銀河宇宙線強度的觀測數(shù)據(jù)和廣州多方向μ介子探測器記錄的宇宙線強度的數(shù)據(jù)分析了1991年3月CME的特征，注意到CME是一定程度地偏向地球的南半球，并給出了CME中最強的磁場結構到達磁層的時間為1991年3月24日2000UT左右，這是過去沒有注意到的一個特征。對大磁暴前銀河宇宙線強度的變化和各向異性進行的統(tǒng)計分析分析表明，銀河宇宙線強度在磁暴前是有先兆的。其先兆特征為宇宙線強度的增加、減少和各向異性有較大的提高，分析結果表明采用這種方法進行分析，約66.7％的大磁暴前有先兆。這種分析方法的一個好處是還可以得到CME是否是正對磁層頂朝地球方向運動。我們對CME運動方向與磁暴強弱的關系進行了初步的研究，研究表明，同樣條件下，正對磁層頂?shù)腃ME形成的磁暴更強，即CME的運動方向是影響磁暴強弱的一個重要因素。 采用快速Fourier分析計算了北京超中子堆近1個半太陽周的磁靜日銀河宇宙線強度的周日變化與半日變化特征，分析表明在太陽活動周交替期間，銀河宇宙線強度24小時的周期和12小時的周期特征消失了。在1989年的磁靜日，銀河宇宙線的24小時的周期也消失了，這與1989年為太陽活動的異常年非常吻合。因此，銀河宇宙線的特征能夠反映太陽活動的情況。我們還計算了幾個磁暴前銀河宇宙線強度的短周期的變化特征，計算結果顯示，磁暴前銀河宇宙線強度在10—60分鐘范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯的閃爍，這是磁暴前銀河宇宙線強度變化的的一種先兆特征。 考慮到Fourier分析不能給出信號的局部特性，因此，我們應用小波分析方法分析了太陽活動周交替期間北京超中子堆銀河宇宙線強度的24小時周期和27天周期的特征隨時間的演化情況。分析結果可以看出銀河宇宙線強度的24小時周期和27天的周期何時消失，何時又重新出現(xiàn)。利用小波分析方法我們還分析了幾個磁暴發(fā)生前銀 生前銀河宇宙線強度的時頻特征的變化。對于磁暴前銀河宇宙線強度增強的事件， 銀河宇宙線周期為 16——32小時的信號都有較明顯的增強，部分事件銀河宇宙線周期 為兒個小時的信號也明顯提高（如 1991年的事件）。對于磁暴前銀河宇宙線強度減 弱的事件，如 1982年 7月事件，周期為 32——64小時的信號幅度有較明顯的增強， 而周期低于24小時的信號變化非常不明顯。因此，磁暴前銀河宇宙線強度的時頻特 征的變化也是地磁暴前的一種先兆特征。 由于災害性的空間天氣往往是一些突發(fā)性的事件，如急始型的地磁暴就有地磁 水平分量突然下降的特征；F。山ttsh下降也是全球范圍內(nèi)銀河宇宙線強度的突然下 降，這是CME到達地球后對全球臺站記錄的宇宙線強度造成突然的影響，這些突 發(fā)事件其突發(fā)特征非常明顯。當CME在行星際空間傳播，還未到達地球時，在某 一時刻CME有可能對地面某個、幾個臺站、或全球宇宙線強度造成突然的影響， 從而使銀河宇宙線的強度發(fā)生突然的變化，但這種突變特征往往是不明顯的，甚至 根本看不出來，這時必須通過分析才能看出來。采用小波分析方法我們首先分析了 1997年 1月 CME事件對銀河宇宙線強度的影響，對 McMurdo臺站記錄的對銀河 宇宙線強度的分析結果表明，小波分析得到的突變時刻與CME對銀河宇宙線強度 影響的突變時刻完全一致，這印證了小波分析能夠尋找CME對銀河宇宙線強度的 影響的突變時刻。我們還分析了 1997年 1月 CME到達地球前廣州臺站記錄的銀河 宇宙線強度，分析表明，在磁暴前廣州多方向望遠鏡的各個方向記錄的宇宙線強度 都發(fā)生了突變。其中南向宇宙線強度突變的時刻比磁暴提前了41
【學位單位】：中國科學院研究生院（空間科學與應用研究中心）
【學位級別】：博士
【學位年份】：2002
【中圖分類】：P156.2
【文章目錄】：
第一章 綜述
    1.1 銀河宇宙線的基本知識
        1.1.1 宇宙線的研究簡史
        1.1.2 銀河宇宙線（空間物理部分）的基本知識
        1.1.3 銀河宇宙線的太陽調(diào)制
        1.1.4 銀河宇宙線強度的地磁效應簡介
        1.1.5 銀河宇宙線的強度變化
        1.1.6 地面探測器
    1.2 太陽活動與地磁暴
        1.2.1 CME的一般形態(tài)與參量
        1.2.2 CME與其它太陽活動的關系
        1.2.3 CME在行星際的特征
        1.2.4 CME與地球環(huán)境擾動
    1.3 用銀河宇宙線進行空間天氣研究的歷史與現(xiàn)狀
        1.3.1 前言
        1.3.2 FORBUSH下降（FDS）
        1.3.3 用銀河宇宙線進行地磁暴預報的歷史與國內(nèi)外現(xiàn)狀
第二章 磁暴前銀河宇宙線的南北強度與各向異性特征
    2.1 磁層的基本結構與急始型地磁暴的基本特征
    2.2 銀河宇宙線各向異性的物理機制
    2.3 典型事件的分析
    2.4 部分事件的統(tǒng)計分析
    2.5 磁暴與CME的運動方向關系的初步研究
    2.6 小結
第三章 應用FOURIER分析研究磁暴前宇宙線強度變化的先兆特征
    3.1 FOURIER分析的基本原理
        3.1.1 時間—頻率分析
        3.1.2 FOURIER分析的功率譜計算方法
        3.1.3 功率譜的計算方法
    3.2 1986—2000年磁靜日北京超中子堆宇宙線強度的周日變化與半日變化特征
    3.3 宇宙線短周期功率譜與行星際擾動
    3.4 大地磁暴前銀河宇宙線的閃爍特征
    3.5 小結
第四章 應用小波分析方法研究磁暴前宇宙線強度變化的先兆特征
    4.1 FOURIER分析的缺陷
    4.2 小波分析的基本原理
        4.2.1 小波變換的定義和條件
        4.2.2 小波變換的自適應時—頻變換
        4.2.3 離散小波變換及其頻帶特性
        4.2.4 幾種常見的小波函數(shù)
    4.3 太陽活動周交替期間宇宙線強度的小波分析
        4.3.1 觀測數(shù)據(jù)的選取與分析
        4.3.2 分析結果
        4.3.3 結論
    4.4 CME對宇宙線時頻的影響—典型事件的分析
    4.5 宇宙線強度突變的小波分析
        4.5.1 信號突變的小波分析
        4.5.2 典型事件分析
    4.6 小結
第五章 結論
參考文獻
致謝
博士期間發(fā)表的論文與完成的主要工作

【參考文獻】

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本文編號：2870108