[論文レビュー] Long-term Variability in the Length of the Solar Cycle

Michael L. Rogers, Mercedes T. Richards+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2006

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、1700–2005年の黒点数および黒点面積データ、および1610年まで遡る再構築データを用いて、太陽黒点周期の長期的変動を調査した。パワースペクトル解析および位相分散最小化法を用い、周期長に188 ± 38年という支配的周期が存在することを特定した。この周期は歴史的最小期と相関しており、11年周期のシュバーブ周期に対する長期的モードの変動が太陽活動レベルと関連している可能性を示唆している。

ABSTRACT

Detailed models of the solar cycle require information about the starting time and rise time as well as the shape and amplitude of the cycle. However, none of these models includes a discussion of the variations in the length of the cycle, which has been known to vary from $\sim$7 to 17 years. The focus of our study was to investigate whether this range was associated with a secular pattern in the length of the sunspot cycle. To provide a basis for the analysis of the long-term behavior of the Sun, we analyzed archival data of sunspot numbers from 1700 - 2005 and sunspot areas from 1874 - 2005. The independent techniques of power spectrum analysis and phase dispersion minimization were used to confirm the $\sim$11-year Schwabe Cycle, and to illustrate the large range in the length of this cycle. Long-term cycles were identified in archival data from 1610 -- 2000 using median trace analyses of the length of the cycle, and from power spectrum analyses of the (O-C) residuals of the dates of sunspot minima and maxima. The median trace analysis suggested that the cycle length had a period of 183 - 243 years, while the more precise power spectrum analysis identified a period of 188 $\pm$ 38 years. We found that the 188-year cycle was consistent with the variation of sunspot numbers and seems to be related to the Schwabe Cycle. We found a correlation between the times of historic minima and the length of the sunspot cycle such that the length of the cycle was usually highest when the actual number of sunspots was lowest. The cycle length was growing during the Maunder Minimum when there were almost no sunspots visible on the Sun. This information can now be used to improve the accuracy of the current solar cycle models, to better predict the starting time of a given cycle.

研究の動機と目的

• 太陽周期長の長期的変動（7〜17年）を調査すること。
• この変動が数世紀にわたる長期的パターンを示すかどうかを特定すること。
• 周期長の変動を、マウンダーやその他の歴史的太陽活動低下期と関連付けること。
• 長期的周期長のモードを組み込むことにより、太陽周期モデルを改善すること。
• 独立した統計的手法を用いて、周期長に188年周期が存在するかを検証すること。

提案手法

• 1700–2005年のアーカイブ黒点数データおよび1874–2005年の黒点面積データを、パワースペクトル解析および位相分散最小化（PDM）法を用いて分析した。
• 黒点周期の長さに中央値トレース分析を適用し、周期持続時間における長期的周期の検出を試みた。
• 黒点最小期および最大期の日付の（O-C）残差に対してパワースペクトル解析を実施し、周期性を同定した。
• 1610–2000年の再構築黒点データを用いて、歴史的太陽最小期（オールト、ウルフ、スポーラー、マウンダー、ダルトン）と照合した。
• 木の年輪からの放射性炭素濃度に基づく再構築黒点数（Solanki et al., 2004）を用い、データカバレッジを拡張した。
• 異なるデータセットおよび周期期間における位相整合性と振幅の一貫性を評価することで、モデルの適合度を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽周期長に長期的恒常的周期が存在するか。その周期は何か？
• RQ2 太陽周期長は、特に歴史的最小期における太陽活動の振幅とどのように相関するか？
• RQ3 複数の統計的手法を用いて、周期長の188年周期を独立に確認できるか？
• RQ4 188年周期は基本的な11年周期のシュバーブ周期と関連しているか。また、どのように太陽活動をモードするか？
• RQ5 この周期を用いて、太陽周期の始まりと振幅の予測を改善できるか？

主な発見

• パワースペクトル解析を用いて、黒点最小期および最大期の日付の（O-C）残差に、188 ± 38年という支配的長期周期が特定された。
• 188年周期は歴史的太陽最小期と整合的であり、ウルフ、スポーラー、マウンダー、ダルトンの4つの主要な最小期が、すべてこの周期の上行期に位置していた。
• 太陽黒点活動が低い時期、特にマウンダー最小期において周期長が最大に達しており、黒点数がほぼゼロであったにもかかわらず周期長が延びていたことが判明した。
• 188年周期はシュバーブ周期と強く相関しており、11年周期が長期的ダイナミクスプロセスによって根本的にモードされている可能性を示唆している。
• 中央値トレース解析により、183–243年周期の追加周期が同定されたが、パワースペクトル解析による188年周期は、観測データと優れた位相整合性と一貫性を示した。
• モデルは、今後約75年間で周期長が継続的に延び、黒点数が減少する傾向を予測しており、長期的太陽周期予測の向上を支持するものである。