地磁暴前银河宇宙线强度变化的先兆特征研究

发布时间：2020-11-04 12:36

　　 大量的研究表明，绝大多数急始型的大地磁暴都是由快速日冕物质抛射(简称CME)引起的。位于拉格朗日点的ACE卫星可以提供近实时的太阳风数据，但依据ACE卫星太阳风数据进行地磁暴预报，时间的提前量非常有限，对于大地磁暴，这个时间提前量往往不超过30分钟，这样的时间提前量对于实际应用来说，是不能令人满意的。因此，如何更早地探测CME，以便能更早地进行磁暴预报就变得非常有价值。 当行星际空间有CME朝向地球运动时，一部分银河宇宙线在穿过行星际空间时要穿过CME或遇到CME而折射到达地面，银河宇宙线的速度很高，它们比CME要提前到达地面。银河宇宙线穿过行星际空间到达地面时，它已经打上了“行星际环境的烙印”。正是由于这个特性，国际上很多科学家试图利用磁暴前银河宇宙线强度变化的先兆特征来进行地磁暴预报。 国际上银河宇宙线与CME之间的关系已经进行了很长时间的研究，用银河宇宙线进行地磁暴预报主要分为利用银河宇宙线的各向异性特征的变化来进行地磁暴预报或利用银河宇宙线强度谱的变化来进行地磁暴预报。其中用银河宇宙线强度的各向异性特征进行的地磁暴前兆分析研究需要用到多个台站的观测数据，而且目前还不能用到实际预报中。磁暴前银河宇宙线强度的谱分析主要还是采用最大熵方法和Fourier方法，尽管得到不少结果，但离实际应用还是有一定的距离。 本文试图应用多种方法来寻找地磁暴前银河宇宙线强度变化的先兆特征，从而为利用银河宇宙线强度的一些特征来进行地磁暴的预报。 我们利用McMurdo和Thule两个台站的银河宇宙线强度的观测数据和广州多方向μ介子探测器记录的宇宙线强度的数据分析了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，并给出了CME中最强的磁场结构到达磁层的时间为1991年3月24日2000UT左右，这是过去没有注意到的一个特征。对大磁暴前银河宇宙线强度的变化和各向异性进行的统计分析分析表明，银河宇宙线强度在磁暴前是有先兆的。其先兆特征为宇宙线强度的增加、减少和各向异性有较大的提高，分析结果表明采用这种方法进行分析，约66.7％的大磁暴前有先兆。这种分析方法的一个好处是还可以得到CME是否是正对磁层顶朝地球方向运动。我们对CME运动方向与磁暴强弱的关系进行了初步的研究，研究表明，同样条件下，正对磁层顶的CME形成的磁暴更强，即CME的运动方向是影响磁暴强弱的一个重要因素。 采用快速Fourier分析计算了北京超中子堆近1个半太阳周的磁静日银河宇宙线强度的周日变化与半日变化特征，分析表明在太阳活动周交替期间，银河宇宙线强度24小时的周期和12小时的周期特征消失了。在1989年的磁静日，银河宇宙线的24小时的周期也消失了，这与1989年为太阳活动的异常年非常吻合。因此，银河宇宙线的特征能够反映太阳活动的情况。我们还计算了几个磁暴前银河宇宙线强度的短周期的变化特征，计算结果显示，磁暴前银河宇宙线强度在10—60分钟范围内出现明显的闪烁，这是磁暴前银河宇宙线强度变化的的一种先兆特征。 考虑到Fourier分析不能给出信号的局部特性，因此，我们应用小波分析方法分析了太阳活动周交替期间北京超中子堆银河宇宙线强度的24小时周期和27天周期的特征随时间的演化情况。分析结果可以看出银河宇宙线强度的24小时周期和27天的周期何时消失，何时又重新出现。利用小波分析方法我们还分析了几个磁暴发生前银 生前银河宇宙线强度的时频特征的变化。对于磁暴前银河宇宙线强度增强的事件， 银河宇宙线周期为 16——32小时的信号都有较明显的增强，部分事件银河宇宙线周期 为儿个小时的信号也明显提高（如 1991年的事件）。对于磁暴前银河宇宙线强度减 弱的事件，如 1982年 7月事件，周期为 32——64小时的信号幅度有较明显的增强， 而周期低于24小时的信号变化非常不明显。因此，磁暴前银河宇宙线强度的时频特 征的变化也是地磁暴前的一种先兆特征。 由于灾害性的空间天气往往是一些突发性的事件，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下降也是全球范围内银河宇宙线强度的突然下 降，这是CME到达地球后对全球台站记录的宇宙线强度造成突然的影响，这些突 发事件其突发特征非常明显。当CME在行星际空间传播，还未到达地球时，在某 一时刻CME有可能对地面某个、几个台站、或全球宇宙线强度造成突然的影响， 从而使银河宇宙线的强度发生突然的变化，但这种突变特征往往是不明显的，甚至 根本看不出来，这时必须通过分析才能看出来。采用小波分析方法我们首先分析了 1997年 1月 CME事件对银河宇宙线强度的影响，对 McMurdo台站记录的对银河 宇宙线强度的分析结果表明，小波分析得到的突变时刻与CME对银河宇宙线强度 影响的突变时刻完全一致，这印证了小波分析能够寻找CME对银河宇宙线强度的 影响的突变时刻。我们还分析了 1997年 1月 CME到达地球前广州台站记录的银河 宇宙线强度，分析表明，在磁暴前广州多方向望远镜的各个方向记录的宇宙线强度 都发生了突变。其中南向宇宙线强度突变的时刻比磁暴提前了41
【学位单位】：中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心）
【学位级别】：博士
【学位年份】：2002
【中图分类】：P156.2
【文章目录】：
第一章 综述
    1.1 银河宇宙线的基本知识
        1.1.1 宇宙线的研究简史
        1.1.2 银河宇宙线（空间物理部分）的基本知识
        1.1.3 银河宇宙线的太阳调制
        1.1.4 银河宇宙线强度的地磁效应简介
        1.1.5 银河宇宙线的强度变化
        1.1.6 地面探测器
    1.2 太阳活动与地磁暴
        1.2.1 CME的一般形态与参量
        1.2.2 CME与其它太阳活动的关系
        1.2.3 CME在行星际的特征
        1.2.4 CME与地球环境扰动
    1.3 用银河宇宙线进行空间天气研究的历史与现状
        1.3.1 前言
        1.3.2 FORBUSH下降（FDS）
        1.3.3 用银河宇宙线进行地磁暴预报的历史与国内外现状
第二章 磁暴前银河宇宙线的南北强度与各向异性特征
    2.1 磁层的基本结构与急始型地磁暴的基本特征
    2.2 银河宇宙线各向异性的物理机制
    2.3 典型事件的分析
    2.4 部分事件的统计分析
    2.5 磁暴与CME的运动方向关系的初步研究
    2.6 小结
第三章 应用FOURIER分析研究磁暴前宇宙线强度变化的先兆特征
    3.1 FOURIER分析的基本原理
        3.1.1 时间—频率分析
        3.1.2 FOURIER分析的功率谱计算方法
        3.1.3 功率谱的计算方法
    3.2 1986—2000年磁静日北京超中子堆宇宙线强度的周日变化与半日变化特征
    3.3 宇宙线短周期功率谱与行星际扰动
    3.4 大地磁暴前银河宇宙线的闪烁特征
    3.5 小结
第四章 应用小波分析方法研究磁暴前宇宙线强度变化的先兆特征
    4.1 FOURIER分析的缺陷
    4.2 小波分析的基本原理
        4.2.1 小波变换的定义和条件
        4.2.2 小波变换的自适应时—频变换
        4.2.3 离散小波变换及其频带特性
        4.2.4 几种常见的小波函数
    4.3 太阳活动周交替期间宇宙线强度的小波分析
        4.3.1 观测数据的选取与分析
        4.3.2 分析结果
        4.3.3 结论
    4.4 CME对宇宙线时频的影响—典型事件的分析
    4.5 宇宙线强度突变的小波分析
        4.5.1 信号突变的小波分析
        4.5.2 典型事件分析
    4.6 小结
第五章 结论
参考文献
致谢
博士期间发表的论文与完成的主要工作

【参考文献】

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本文编号：2870108