[論文レビュー] Multiple and changing cycles of active stars I. Methods of analysis and application to the solar cycles

Z. Kolláth, Katalin Oláh|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2009

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 18被引用数 34

ひとこと要約

本論文は、活性星および太陽における非定常な磁気周期を分析するため、時間周波数分布（特に短時間フーリエ変換（STFT）とウィグナー分布）を導入する。これらの手法がウェーブレットよりも複雑で変化する周期をより効果的に解明できることを示し、太陽活動における多スケールで非周期的な変化を明らかにした。特に、最近数十年の間に140年以上のグレッシェル周期が観測された。

ABSTRACT

Long-term observational data have information on the magnetic cycles of active stars and that of the Sun. The changes in the activity of our central star have basic effects on Earth, like variations in the global climate. Therefore understanding the nature of these variations is extremely important. The observed variations related to magnetic activity cannot be treated as stationary periodic variations, therefore methods like Fourier transform or different versions of periodogramms give only partial information on the nature of the light variability. We demonstrate that time-frequency distributions provide useful tools for analyzing the observations of active stars. With test data we demonstrate that the observational noise has practically no effect on the determination in the the long-term changes of time-series observations of active stars. The rotational signal may modify the determined cycles, therefore it is advisable to remove it from the data. Wavelets are less powerful in recovering complex long-term changes than other distributions which are discussed. Applying our technique to the sunspot data we find a complicated, multi-scale evolution in the solar activity.

研究の動機と目的

• 非定常な星間活動周期のための高度な時間周波数解析技術の開発と検証を目的とする。
• 疎なまたは不規則にサンプリングされたデータにおける長期的で変化する周期を捉えることに、従来のフーリエ法の限界を克服することを目的とする。
• 現代の時間周波数ツールを用いて、太陽spotsおよび電波データを再分析し、隠れた多スケールパターンを解明することを目的とする。
• 太陽を主要なテストケースとして、活性星における周期変動の研究のための堅牢なフレームワークを提供することを目的とする。
• 歴史的データにおける長期的構造的パターンの同定を通じて、将来的な太陽活動予測を制約することを目的とする。

提案手法

• 太陽活動時系列からの時間局所周波数成分を抽出するために、ガウス窓を用いた短時間フーリエ変換（STFT）を適用する。
• ウェーブレットより高い時間周波数分解能を達成するため、ウィグナー分布およびその拡張（コーエンクラス）を用いる。特に非定常信号に対して有効である。
• 周波数領域での窓関数処理をフーリエ変換に適用し、負の周波数漏れを低減し、スペクトル推定を改善する。
• 長期的周期の進化を隔離するために、回転調制信号を除去するための前処理を実施する。
• スプライン平滑化および補間を用いて、歴史的spotsデータ（ショーヴェ系列を含む）を均等にサンプリングされた包絡線に変換する。
• 現代（1800–2000年）および拡張（500年）のspots記録を分析し、長期的傾向および周期の分裂を検出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 STFT やウィグナー分布といった時間周波数分布は、ウェーブレットよりも星間活動の非定常周期をより効果的に解明できるか？
• RQ2 太陽磁気周期の長期的変化、特にグレッシェル周期は数世紀にわたりどのように変化するか？
• RQ3 現在のグレッシェル周期の期間は何か？ そして、最近数十年の間に顕著に変化したか？
• RQ4 マウンダーやダルトンの最小期のような歴史的パターンは、周期の進化と定量的に関連づけられるか？
• RQ5 太陽周期に観察された多スケールの挙動は、将来的な太陽活動予測にどの程度寄与できるか？

主な発見

• 特にSTFTおよびウィグナーに基づく時間周波数分布は、疎なまたはノイズの多いデータにおける複雑で時間的に変化する周期を解明する点で、ウェーブレットを上回る。
• 最近数十年の現代spotsデータの周波数分裂解析により、グレッシェル周期が140年以上にまで延長されたことが判明した。
• 0.03 c/y（33年周期）および0.06 c/y（16.5年周期）における周波数分裂は、長期的グレッシェル周期に一致するビート周波数構造を示している。
• 500年間の再構築から、マウンダーやダルトンの最小期にはグレッシェル周期が約140–150年と長く、1700年以降に約50年に短縮され、その後再び延長されたことが判明した。
• 最近のグレッシェル周期の延長は、長期にわたる高活動期を示唆しているが、この傾向の安定性はまだ不確かである。
• 観測された多スケール挙動（3–30年および140年以上）は、太陽磁気のモデリングおよび長期的気候関連性の制約に強く寄与する。