[論文レビュー] Parameters of the Free Core Nutation from VLBI Data

Zinovy Malkin, D. Terentev|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2007

Geophysics and Gravity Measurements参考文献 12被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、VLBIによって得られた地球の自転軸パラメータを分析し、自由核歳差（FCN）の時間変動パラメータを調査した。その結果、FCNの振幅（0.1–0.3 mas）と周期（415–490太陽日）が時間とともに変化していることが明らかになった。4つの長期にわたるVLBI系列を用いたスペクトル解析およびウェーブレット解析により、FCN周期が一定でないことが判明し、位相の変化や地球物理学的プロセスと関連している可能性がある。これは理論的に予測される431.2日という定常周期の仮定に反するものである。

ABSTRACT

Several VLBI EOP series were investigated with goal of determination of parameters of the Free Core Nutation (FCN). Both the amplitude and period of the FCN were studied using spectral and wavelet analysis. Our analysis reveals a variability of both the amplitude (known also from other investigations) and the period (or phase) of the FCN nutation. The FCN amplitude varies in the range about 0.1--0.3 mas, and the FCN period -- in the range about 415--490 solar days. The latter may be also explained by changes in the FCN phase. Comparison of time variations of the FCN period and amplitude obtained by different authors and methods shows substantial discrepancies at the edges of the period of observations.

研究の動機と目的

• 高精度なVLBI地球の自転軸データを用いて、自由核歳差（FCN）パラメータの時間的変動を調査すること。
• 理論的に予測される固定された431.2恒星日周期と照らし合わせ、FCN周期と振幅が時間的に安定しているか、それとも変動しているかを特定すること。
• ウェーブレット解析とスペクトル解析の信頼性を評価し、特にデータ端縁におけるFCN信号変動の検出能力を検討すること。
• MHB2000モデルと比較し、振幅および位相推定値の乖離を評価すること。
• 年周周期に近い他の歳差周波数が、FCN信号抽出に干渉する可能性を検討し、信号抽出手法の妥当性を検証すること。

提案手法

• 原始的および平滑化されたVLBI歳差系列に対してフェラズ・メロ法を用いたスペクトル解析により、パワー密度スペクトルおよびFCN周期を推定する。
• 結果の妥当性を検証し、二次的な周期性を同定するため、バーグ法によるスペクトル推定を併用する。
• WWZアルゴリズムを用いたウェーブレット解析により、FCN振幅および周期（位相）の時間依存的変動を調査する。
• FCN振幅を、観測値とIAU2000Aモデルの歳差角の差のベクトルの大きさとして計算する：$Amp(FCN) = \sqrt{d(\Delta\psi)^2 + d(\Delta\varepsilon)^2}$。
• 端効果のテストとして、各系列の先頭および末尾から200日分のデータを繰り返し除去し、データ境界におけるウェーブレット解析結果の信頼性を評価する。
• ウェーブレットから得られたFCNパラメータを、直接計算された振幅およびMHB2000モデルと比較し、信号解釈の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自由核歳差（FCN）周期は時間経過とともに一定のままであるのか、それとも測定可能な変動を示すのか。
• RQ2 FCN振幅と周期の変動は互いに相関しているか。また、位相の変化が周期のずれを説明できるのか。
• RQ3 ウェーブレット解析における端効果が、観測期間の両端におけるFCNパラメータ推定をどの程度歪めるのか。
• RQ4 観測されたFCNパラメータはMHB2000モデルとどのように比較されるか。特に振幅および位相の時間的変化の観点から検討する。
• RQ5 年周周期に近い他の歳差周波数（例：年周項）が、FCN信号の検出および解釈に影響を及ぼす可能性は何か。

主な発見

• FCN周期は415～490太陽日の間で変動し、平均推定値は約434太陽日であり、理論的予測値の431.2恒星日よりも顕著に高い。
• 2000.2年以降のデータに限定して解析を行うと、FCN周期の推定値は約432恒星日へ収束し、過去の研究とより一致するようになる。
• スペクトル解析において、特にバーグ法を用いた場合、約410日周期の二次的信号が検出された。これは第二のFCNモードの可能性を示唆し、今後のさらなる調査が望ましい。
• ウェーブレット解析により、FCN振幅は0.1～0.3 masの範囲で変動していることが明らかになったが、端効果の影響によりデータ端縁部の不確実性が増大し、信頼性が低下している。
• ウェーブレット解析から得られた位相変動は、振幅変動よりも滑らかな傾向を示し、MHB2000モデルともより一貫性がある。これは、周期の変動が振幅変調によるものではなく、位相の変化に起因する可能性が高いことを示唆している。
• 端効果テストの結果、時間系列の最初および最後の500～1000日間におけるウェーブレット解析によるFCN周期および振幅の推定は信頼性が低いことが確認され、予測モデル作成にあたっては注意が必要である。