多方向μ介子通量一致性特征研究

通过地面μ介子望远镜可以探测不同方向到达的宇宙线通量,得到从外空间入射的宇宙线受到不均匀结构的调制情况,判断CME的特征.通过分析,发现大地磁暴前Nagoya台站东向和南向的探测数据存在固定的2h时间差,认为这是由两个入射方向的宇宙线粒子先后穿越CME结构引起的.分别计算了两个方向相同时间和南向相位后移2h后通量探测数据的相关系数,以及两种情形下通量差的变化幅度,定量描述了CME接近地球过程中两个方向通量的相关特征.通过比较发现,CME接近地球过程中,经过相位变换的两个方向的相关系数明显高于未经变换的情况,经过相位变换的两个方向的通量差幅度明显小于未经变换的情况;CME到达地球后,两种情形的相关系数和通量差幅度则趋于相同.对2003-2005年K_p=9的地磁暴事件的分析均发现了这种现象.对2006年12月14日大地磁暴前的μ介子通量特征进行了分析,也完全符合上述特征.      

利用地面宇宙线强度变化预报地磁暴方法初步研究

分析了Nagoya宇宙线闪烁体望远镜探测数据的变化特点,定性地探讨了CME可能引起的地面宇宙线的变化特征,通过实例证实了地面宇宙线通量的异常波动是地磁暴发生的重要先兆特征,并且将8 h内宇宙线通量与该时间段内平均通量的偏差D8(t)参数应用到宇宙线数据分析中.通过数据分析与讨论,认为D8(t)参数达到一定阈值是地磁暴的重要先兆特征,但不是充分条件,虚假信号仍占多数;D8(t)参数与太阳质子事件探测结果相结合,对于大地磁暴的预报有较好的效果.      

由地面宇宙线中子强度反演空间质子和重离子的分布

采用线性回归的方法研究了太阳活动平静时期空间高能质子和重离子微分通量与地面OULU宇宙线台站中子强度之间的相关性,利用地面中子强度数据来反演空间高能质子和重离子通量.从质子和重离子的能谱出发,结合OULU台站中子强度的数据,提出了由地面中子强度数据反演空间高能质子和重离子微分通量的新方法.文中以GOES卫星上350～420 MeV,420～510 MeV,510～700 MeV,＞700 MeV(P8～P11)四能道的高能质子和ACE卫星上的元素C为例,并将反演的数据与测量结果比较,二者符合较好.为了探索这种反演方法在空间辐射环境描述中的应用,同时利用2006年11月和12月质子通量的反演结果对反演方法进行了验证,证明利用这一反演方法可以从地面中子强度的数据很好地反演出空间质子和重离子的微分通量.      

1998年9月24日地磁暴前宇宙线各向异性特性分析

分析了日本Nagoya 宇宙线闪烁体望远镜30°, 49°, 64° 倾角的东、西、南、北方向探测数据的变化特点, 运用小波分析方法定性地探讨了磁暴前后宇宙线南北、东西各向异性的变化特征. 研究发现, 当发 生大地磁暴时, 地面宇宙线强度的各向异性特征将发生非常大的变化, 这种变化一般在磁暴发生前10~20 h就开始出现. 当描述这种各向异性特征的各向异性指数的小波系数变化达到一定阈值时, 就可能有大地磁暴发生.      

第23和24太阳活动周高纬地磁感应电流分布特性

基于高纬度芬兰Mäntsälä地区近两个太阳活动周期（1999—2017年）天然气传输管道的地磁感应电流（GIC,I_GIC）观测数据,统计研究了GIC扰动的分布特征以及强GIC扰动与磁暴和地磁亚暴的相关性.研究发现:95.83%时间段的GIC强度分布在0～1A之间.定义:若某个时间段|I_GIC|_max> 1A,则认为发生GIC扰动;|I_GIC|_max>10A,则认为发生强GIC扰动事件.GIC扰动在磁地方时夜侧附近发生的概率最高,这主要与地磁亚暴发生期间电离层电流最剧烈的变化发生在磁地方时夜侧附近有关;强GIC扰动经常爆发式出现,且都发生在磁暴期间,但大多数磁暴并不伴随强GIC扰动事件发生.磁暴急始驱动的强GIC扰动事件较少,由磁层压缩引起地磁场突然增强驱动的强GIC扰动事件持续时间较短;强GIC扰动事件主要发生在磁暴主相和恢复相,由环电流变化驱动的强GIC扰动事件一般持续时间较长且强度较大.      

基于SAMPEX卫星观测的南大西洋异常区高能质子动态分布特征

利用SAMPEX卫星1992年7月至2004年6月19～27MeV高能质子数据对南大西洋异常区的分布特征进行研究, 发现南大西洋异常区高能质子分布随高度及F_10.7的变化十分显著. 在540±25km高度上, 地磁较为平静时期南大西洋异常区高能质子微分通量随着F_10.7的增大而减小, 同时在F_10.7≥115sfu时减小趋势较为平缓. 对中等及以上磁暴进行统计分析发现, 磁暴期间南大西洋异常区高能质子微分通量和SYM-H指数的绝对值存在明显的反相关关系, 且地磁暴对南大西洋异常区高能质子微分通量存在明显的持续影响效应. 磁暴发生期间高能质子微分通量明显减少. 磁暴恢复相及其之后高能质子微分通量呈现较为显著的恢复过程.      

磁暴期电离层离子上行能通量的统计关系研究

利用FAST卫星1997-2006年34个磁暴期149个轨道的观测数据,分析不同相位上行通量数量级,研究不同相位离子上行能通量与地磁活动Sym-H指数和Kp指数,以及注入的Poynting通量之间的关系,构造上行通量经验模型.研究结果表明:磁暴主相期间,上行离子能通量可超过108 eV·cm–2·s–1·sr–1·eV...     

基于实时观测数据的大气密度模式修正

针对国际大气密度模式NRLMSISE-00, 以中国神舟飞船探测数据为基础, 提出一种基于实时大气密度观测数据的模式修正方法. 通过计算分析模式计算结果与探测数据的误差分布特征, 针对地磁相对平静期(Ap≤ 30)模式计算的误差特点, 建立了一种平均误差修正方法, 即认为在相对平静期, 在相同纬度和地方时, 模式误差基本相同, 某一时刻模式预测误差可以近似用与其相同纬度和地方时的平均误差来替代, 从而对模式预测结果进行修正. 以神舟4号探测数据为基础, 通过对模式预测结果采用两种方式进行修正, 可以看到模式误差得到了一定的改善. 采用误差库累积准实时修正, 修正后的误差由原来的20 %降至6 %; 采用误差库5天滑动预报修正后, 模式提前1, 2, 3天的预测误差由原来的20 %分别降至7.8 %, 9.4 %和10.5%.      

NRLMSISE-00大气模型与GRACE和CHAMP卫星大气密度数据的对比分析

利用GRACE(Gravity Recovery And Climate Experiment)和CHAMP(Challenging Mini-Satellite Payload)卫星2002-2008年的大气密度数据与NRLMSISE-00大气模型密度结果进行比较,分析了模型密度误差及其特点.结果显示,NRLMSISE-00大气模型计算的密度值普遍偏大,其相对误差随经纬度变化,在高纬度相对较小;相对误差随地方时变化,在02:00LT和15:00LT左右较大,10:00LT和20:00LT左右较小.通过模型密度相对误差与太阳F_10.7指数的对比分析发现,在太阳活动低年模型相对误差最大,而在太阳活动高年相对误差较小;将模型结果分别与GRACEA/B双星和CHAMP卫星的密度数据进行比较,发现对于轨道高度更高的GRACE卫星轨道,模型相对误差更大;在地磁平静期,相对误差与地磁ap指数(当前3h)相关性不强,但是在大磁暴发生时,误差急剧增大.      

宇宙线强度变化与磁扰K类型

本文把1966—1983年期间发生的679个地磁暴进行了分类,利用统计方法分析了各类磁暴发生前后宇宙线强度的变化特征.突发急始脉冲发生后,宇宙线强度没有出现显著的变化;缓始型暴发生后,宇宙线强度出现Forbush下降,但下降幅度很小;急始型暴发生后,宇宙线强度出现十分明显的Forbush下降.当把急始型暴按K指数大小和持续时间分为5种类型,发现它们伴随的宇宙线Forbush下降是不一样的,其下降幅度随磁暴的增强而加大,下降的速率随磁暴的增强而加快,扰动的持续时间随磁暴的减弱而增加.      

用银河宇宙线判定几个引起特大磁暴CME的运动方向

利用位于南北极尖区位置的McMurdo和Thule台站的宇宙线强度的观测数据，分析了几个引起特大磁暴CME的来向．分析结果表明，所选的与4个特大磁暴相关的CME基本是朝正对磁层顶的方向运动并与磁层作用的．通过对引起第23周两个特大磁暴的CME特征分析对照，发现CME的来向是影响磁暴强弱的一个因素．同样条件下，运动方向偏向地球一侧的CME引起的磁暴比正对地球的CME引起的磁暴要弱。     

Large geomagnetic storms of extreme solar event periods in solar cycle 23

During extreme solar events such as big flares or/and energetic coronal mass ejections (CMEs) high energy particles are accelerated by the shocks formed in front of fast interplanetary coronal mass ejections (ICMEs). The ICMEs (and their sheaths) also give rise to large geomagnetic storms which have significant effects on the Earth’s environment and human life. Around 14 solar cosmic ray ground level enhancement (GLE) events in solar cycle 23 we examined the cosmic ray variation, solar wind speed, ions density, interplanetary magnetic field, and geomagnetic disturbance storm time index (D_st). We found that all but one of GLEs are always followed by a geomagnetic storm with D_st  −50 nT within 1–5 days later. Most(10/14) geomagnetic storms have D_st index  −100  nT therefore generally belong to strong geomagnetic storms. This suggests that GLE event prediction of geomagnetic storms is 93% for moderate storms and 71% for large storms when geomagnetic storms preceded by GLEs. All D_st depressions are associated with cosmic ray decreases which occur nearly simultaneously with geomagnetic storms. We also investigated the interplanetary plasma features. Most geomagnetic storm correspond significant periods of southward B_z and in close to 80% of the cases that the B_z was first northward then turning southward after storm sudden commencement (SSC). Plasma flow speed, ion number density and interplanetary plasma temperature near 1 AU also have a peak at interplanetary shock arrival. Solar cause and energetic particle signatures of large geomagnetic storms and a possible prediction scheme are discussed.     

CME-geometry and cosmic-ray anisotropy observed by a prototype muon detector network

We analyze the cosmic-ray anisotropy observed by a prototype network of muon detectors during geomagnetic storms associated with coronal mass ejections (CMEs). The network currently consists of multidirectional surface muon detectors at Nagoya (Japan) and Hobart (Australia), together with a prototype detector at São Martinho (Brazil) which has been in operation since March, 2001. In this report, we analyze the anisotropy recorded in both the muon detector and neutron monitor (the Spaceship Earth) networks and find significant enhancements of cosmic-ray anisotropy during geomagnetic storms. Following the analysis by Bieber and Evenson [Bieber, J.W., Evenson, P. CME geometry in relation to cosmic ray anisotropy. Geophys. Res. Lett. 25 (1998) 2955–2958] for the neutron monitor data at 10 GeV, we also derive cosmic-ray density gradients from muon data at higher-energy (50 GeV), possibly reflecting the larger-scale geometry of CMEs causing geomagnetic storms. We particularly find in some events the anisotropy enhancement clearly starting prior to the storm onset in both the muon and neutron data. This is the first result of the CME-geometry derived from simultaneous observations of the anisotropy with networks of multidirectional muon detectors and neutron monitors.     

宇宙线暴时增加及其特征

利用11个地面超中子堆的资料分析了6个不同地磁暴期间由于赤道环电流增强引起的暴时增加,并分析了它们的特征。结果表明,地磁暴愈强,暴时增加愈明显。暴时增加与地磁H分量的变化有很好的负相关,并有明显的纬度效应或与地磁截止刚度有依赖关系。北京地区是暴时增加相当明显的区域。暴时增加还有明显的地方时依赖关系。在白昼一侧的增加更大,表明环电流具有不对称性的特征。      

Relationships between neutron fluxes and rain flows

Registration of secondary cosmic ray neutrons is a convenient tool for investigation of primary cosmic ray variations and meteorological effects as well. At present a large network of neutron monitors exists, providing the studies of cosmic ray variations related to the interplanetary conditions and geomagnetic activity. At the same time cosmic ray variations may be caused by some atmospheric processes. In this connection, using the data from standard and lead-free neutron monitors, and gamma and muon detectors, we studied relations between rain flows and neutron, gamma and ionization component behavior. To explain observable results the calculations of neutron and gamma absorption and albedo neutron spectra have been performed on the basis of universal software package FLUKA-2006. In this study we used hourly data on the neutron flux, corrected for barometric pressure and data from local meteorological stations. It was shown that secondary neutron radiation, recorded by lead-free NM, and gamma radiation as well are strongly effected by meteorological factors. The neutron component behavior depends on the moisture content in the soil, and above its surface.     

由环电流的宇宙线效应验证二维对称环电流模型

本文利用不同纬度超中子堆记录的宇宙线强度, 对不同磁暴类型下环电流的宇宙线效应进行了分析。加强的西向环电流使宇宙线截止刚度下降, 在某些特大的磁暴中, 中低纬字宙线截止刚度下降可达1GV以上, 从而使宇宙线强度增加。利用二维对称环电流模式, 从宇宙线的角度计算了环电流的磁暴效应。与实际观测值的对比显示, 除非特大的磁暴过程, 利用该模式所得结果与实际观测符合得较好。      

冕洞特征参数与地磁暴强度及发生时间统计

地磁暴是空间天气预报的重要对象.在太阳活动周下降年和低年，冕洞发出的高速流经过三天左右行星际传输到达地球并引发的地磁暴占主导地位.目前地磁暴的预报通常依赖于1AU处卫星就位监测的太阳风参数，预报提前量只有1h左右.为了增加地磁暴预报提前量，需要从高速流和地磁暴的源头即太阳出发，建立冕洞特征参数与地磁暴的定量关系.分析了2010年5月到2016年12月的152个冕洞-地磁暴事件，利用SDO/AIA太阳极紫外图像提取了两类冕洞特征参数，分析了其与地磁暴期间ap，Dst和AE三种地磁指数的统计关系，给出冕洞特征参数与地磁暴强度以及发生时间的统计特征，为基于冕洞成像观测提前1～3天预报地磁暴提供了依据.