[論文レビュー] The chaotic solar cycle II. Analysis of cosmogenic 10Be data

A. Hanslmeier, R. Brajša+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2014

Astro and Planetary Science参考文献 2被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、極域の氷核から得られた宇宙線核種10Beの9,300年分のデータを分析し、太陽活動の非線形的ダイナミクスを調査する。非線形ダイナミクス、フーリエ解析およびウェーブレット解析、減衰ランダムウォーク（DRW）モデルを用いる。結果として、太陽活動は混沌の縁に位置し、フィルタリングによりより規則的な挙動が明らかになる。また、1,000年時間スケールを持つDRWモデルがデータに良好に適合しており、長期的な太陽変動が純粋なランダム性ではなく、決定論的で非線形的なプロセスによって支配されていることを示唆している。

ABSTRACT

Context. The variations of solar activity over long time intervals using a solar activity reconstruction based on the cosmogenic radionuclide 10Be measured in polar ice cores are studied. Methods. By applying methods of nonlinear dynamics, the solar activity cycle is studied using solar activity proxies that have been reaching into the past for over 9300 years. The complexity of the system is expressed by several parameters of nonlinear dynamics, such as embedding dimension or false nearest neighbors, and the method of delay coordinates is applied to the time series. We also fit a damped random walk model, which accurately describes the variability of quasars, to the solar 10Be data and investigate the corresponding power spectral distribution. The periods in the data series were searched by the Fourier and wavelet analyses. The solar activity on the long-term scale is found to be on the edge of chaotic behavior. This can explain the observed intermittent period of longer lasting solar activity minima. Filtering the data by eliminating variations below a certain period (the periods of 380 yr and 57 yr were used) yields a far more regular behavior of solar activity. A comparison between the results for the 10Be data with the 14C data shows many similarities. Both cosmogenic isotopes are strongly correlated mutually and with solar activity. Finally, we find that a series of damped random walk models provides a good fit to the 10Be data with a fixed characteristic time scale of 1000 years, which is roughly consistent with the quasi-periods found by the Fourier and wavelet analyses.

研究の動機と目的

• 10Beデータを用いて、長期間にわたる太陽活動が混沌的・周期的・確率的のいずれの挙動を示すかを特定すること。
• 事前に研究済みの14Cデータと比較して、10Beに基づく太陽活動プロキシのダイナミクスの整合性と頑健性を評価すること。
• 減衰ランダムウォーク（DRW）モデルが、10Beデータにおける長期的変動を正確に記述できるかを評価すること。
• 地磁気場の変動および非太陽的要因が、宇宙線核種記録に与える影響を調査すること。
• フィルタリングが、太陽活動周期の背後にある規則性をどのように明らかにするかを評価すること。

提案手法

• 10Be時系列の位相空間を再構築するために、埋め込み次元および偽の近隣点の手法を用いた非線形ダイナミクス技術を適用した。
• 遅延座標埋め込みを用いて時系列を分析し、低次元の混沌的挙動を検出した。
• フーリエ変換および連続ウェーブレット変換を実施し、10Beデータにみられる準周期的成分を特定した。
• 10Beデータに減衰ランダムウォーク（DRW）モデルをフィットさせ、特徴的な時間スケールを1,000年と推定した。
• 10Beデータのパワースペクトル密度とDRWプロセスのものを比較し、決定論的混沌の確率的近似の妥当性を評価した。
• 10Beデータと14Cデータの相関をとり、信号の相互整合性および太陽起源の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 過去9,300年間の太陽活動は、混沌的・周期的・確率的のいずれの記述が最も適切か？
• RQ2 10Beに基づく太陽活動プロキシの非線形的ダイナミクスは、14Cデータから得られるものとどのように比較できるか？
• RQ3 固定された1,000年時間スケールを持つ減衰ランダムウォークモデルが、10Beデータにおける長期的変動を正確に記述できるか？
• RQ4 地磁気場の変動および非太陽的プロセスが、10Be信号に与える役割は何か？
• RQ5 短周期の変動をフィルタリングすることで、より規則的な太陽活動周期がどの程度明らかになるか？

主な発見

• 10Beデータから推定される太陽活動周期は、混沌の縁に位置し、決定論的で非線形的なダイナミクスを示している。
• 380年未塔および57年未塔の変動をフィルタリングすることで、太陽活動周期が著しくより規則的になることが示され、短期的ノイズが周期性を隠している可能性を示唆している。
• 特徴的な時間スケールが1,000年の減衰ランダムウォーク（DRW）モデルは、10Beデータに良好に適合しており、DRWは線形確率的プロセスであるにもかかわらず、その妥当性が示された。
• 10Beデータのパワースペクトル分布はDRWプロセスと整合的であるが、純粋なDRWよりも傾きが急く、混沌の確率的近似との部分的整合性を示している。
• 10Beと14Cの時系列は強く相関しており、両者とも太陽活動および地磁気場強度を反映しており、気候的または地球化学的プロセスによる汚染は最小限に抑えられている。
• フーリエおよびウェーブレット解析により10Beデータで同定された1,000年周期の準周期は、太陽spot数再構築の先行研究と整合的であり、長期的な太陽調整周期の存在を支持している。