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(zhì)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(fēng)數(shù)據(jù)，但依據(jù)ACE衛(wèi)星太陽風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行地磁暴預(yù)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(yīng)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(jìn)行磁暴預(yù)報就變得非常有價值。 當(dāng)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(dá)地面，銀河宇宙線的速度很高，它們比CME要提前到達(dá)地面。銀河宇宙線穿過行星際空間到達(dá)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(xué)家試圖利用磁暴前銀河宇宙線強(qiáng)度變化的先兆特征來進(jìn)行地磁暴預(yù)報。 國際上銀河宇宙線與CME之間的關(guān)系已經(jīng)進(jìn)行了很長時間的研究，用銀河宇宙線進(jìn)行地磁暴預(yù)報主要分為利用銀河宇宙線的各向異性特征的變化來進(jìn)行地磁暴預(yù)報或利用銀河宇宙線強(qiáng)度譜的變化來進(jìn)行地磁暴預(yù)報。其中用銀河宇宙線強(qiáng)度的各向異性特征進(jìn)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(yù)報中。磁暴前銀河宇宙線強(qiáng)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(jié)果，但離實際應(yīng)用還是有一定的距離。 本文試圖應(yīng)用多種方法來尋找地磁暴前銀河宇宙線強(qiáng)度變化的先兆特征，從而為利用銀河宇宙線強(qiáng)度的一些特征來進(jìn)行地磁暴的預(yù)報。 我們利用McMurdo和Thule兩個臺站的銀河宇宙線強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)的磁場結(jié)構(gòu)到達(dá)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(qiáng)度的變化和各向異性進(jìn)行的統(tǒng)計分析分析表明，銀河宇宙線強(qiáng)度在磁暴前是有先兆的。其先兆特征為宇宙線強(qiáng)度的增加、減少和各向異性有較大的提高，分析結(jié)果表明采用這種方法進(jìn)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(qiáng)弱的關(guān)系進(jìn)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(qiáng)，即CME的運動方向是影響磁暴強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度的短周期的變化特征，計算結(jié)果顯示，磁暴前銀河宇宙線強(qiáng)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(qiáng)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(yīng)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(qiáng)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(jié)果可以看出銀河宇宙線強(qiáng)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(qiáng)度的時頻特征的變化。對于磁暴前銀河宇宙線強(qiáng)度增強(qiáng)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(qiáng)，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(qiáng)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(qiáng)， 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(qiáng)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(zāi)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(qiáng)度的突然下 降，這是CME到達(dá)地球后對全球臺站記錄的宇宙線強(qiáng)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(dāng)CME在行星際空間傳播，還未到達(dá)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(qiáng)度造成突然的影響， 從而使銀河宇宙線的強(qiáng)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(qiáng)度的影響，對 McMurdo臺站記錄的對銀河 宇宙線強(qiáng)度的分析結(jié)果表明，小波分析得到的突變時刻與CME對銀河宇宙線強(qiáng)度 影響的突變時刻完全一致，這印證了小波分析能夠?qū)ふ褻ME對銀河宇宙線強(qiáng)度的 影響的突變時刻。我們還分析了 1997年 1月 CME到達(dá)地球前廣州臺站記錄的銀河 宇宙線強(qiáng)度，分析表明，在磁暴前廣州多方向望遠(yuǎn)鏡的各個方向記錄的宇宙線強(qiáng)度 都發(fā)生了突變。其中南向宇宙線強(qiáng)度突變的時刻比磁暴提前了41
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)院研究生院（空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心）
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)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(qiáng)度的地磁效應(yīng)簡介
        1.1.5 銀河宇宙線的強(qiáng)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(guān)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(jìn)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(jìn)行地磁暴預(yù)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(qiáng)度與各向異性特征
    2.1 磁層的基本結(jié)構(gòu)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(jī)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(guān)系的初步研究
    2.6 小結(jié)
第三章 應(yīng)用FOURIER分析研究磁暴前宇宙線強(qiáng)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(qiáng)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(jié)
第四章 應(yīng)用小波分析方法研究磁暴前宇宙線強(qiáng)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(yīng)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(qiáng)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(jié)果
        4.3.3 結(jié)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(qiáng)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(jié)
第五章 結(jié)論
參考文獻(xiàn)
致謝
博士期間發(fā)表的論文與完成的主要工作

【參考文獻(xiàn)】

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2 朱邦耀;北京宇宙線臺漸近方向、垂直截止剛度和變化系數(shù)的計算[J];地球物理學(xué)報;1979年03期

3 高靜懷,汪文秉,朱光明;小波變換與信號瞬時特征分析[J];地球物理學(xué)報;1997年06期

4 劉太中，榮平平，劉式達(dá)，鄭祖光，劉式適;氣候突變的子波分析[J];地球物理學(xué)報;1995年02期

5 葉宗海,盧欽棠,宗秋剛;宇宙線強(qiáng)度變化與磁擾K類型[J];空間科學(xué)學(xué)報;1987年04期

6 薛順生,章公亮,肖少瑜;宇宙線北南各向異性的共轉(zhuǎn)變化[J];空間科學(xué)學(xué)報;1989年02期

7 葉宗海,孫小青;宇宙線暴時增加及其特征[J];空間科學(xué)學(xué)報;1992年04期

8 孫小青,葉宗海;由環(huán)電流的宇宙線效應(yīng)驗證二維對稱環(huán)電流模型[J];空間科學(xué)學(xué)報;1993年02期

9 高玉芬，章公亮，周榮茂;1991年3月太陽活動引起的地磁擾動[J];空間科學(xué)學(xué)報;1995年01期

10 郭維吉，章公亮;強(qiáng)磁場擾動對宇宙線調(diào)制的統(tǒng)計研究[J];空間科學(xué)學(xué)報;1995年04期

本文編號：2870108