[논문 리뷰] Long-term Variability in the Length of the Solar Cycle

Michael L. Rogers, Mercedes T. Richards외 1명|arXiv (Cornell University)|2006. 06. 17.

Solar and Space Plasma Dynamics인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 1700–2005년 동안의 sunspot 수와 면적 데이터 및 1610년까지 복원된 데이터를 이용하여 태양활동 주기의 장기적 변동성을 조사한다. 파wer 스펙트럼 분석과 위상 분산 최소화 분석을 통해 주기 길이에 대해 188 ± 38년의 주요 주기성을 확인하였으며, 이는 역사적 최소 활동기와 상관관계가 있어 11년 주기의 Schwabe 주기의 장기적 조절 메커니즘과 관련된 것으로 제안된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 태양주기 길이의 장기적 변동성(7~17년 사이)을 조사하기 위해.
• 이 변동성이 수세기 동안의 장기적 패턴을 보이는지 확인하기 위해.
• 과거 태양활동 저하 시대(예: Maunder Minimum)와 주기 길이의 변동성을 연결하기 위해.
• 장기적 주기 길이 조절을 통합하여 태양주기 모델을 향상시키기 위해.
• 독립적인 통계 기법을 사용하여 188년 주기의 존재를 검증하기 위해.

제안 방법

• 1700–2005년 기간의 고전적 sunspot 수 자료와 1874–2005년의 sunspot 면적 자료를 파워 스펙트럼 분석 및 위상 분산 최소화(PDM) 기법을 사용하여 분석하였다.
• 주기 길이의 장기적 주기성을 탐지하기 위해 sunspot 주기 길이에 대해 중앙값 추적 분석을 적용하였다.
• sunspot 최소기 및 최대기 일자에 대한 (O-C) 잔차에 대해 파워 스펙트럼 분석을 수행하여 주기성을 규명하였다.
• 1610–2000년 기간의 복원된 sunspot 자료를 사용하여 유래된 주요 역사적 태양활동 최소기(Ohort, Wolf, Spörer, Maunder, Dalton)와 비교하였다.
• 나무 고리의 방사성 탄소 농도 기반으로 복원된 sunspot 수 자료(Solanki 등, 2004)를 사용하여 데이터 커버리지 범위를 확장하였다.
• 다양한 자료 세트와 주기 기간에서 위상 일치도 및 진폭 일관성 기준을 사용하여 모델 적합도를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 태양주기 길이에 장기적 장기 주기성이 존재하는가? 만약 존재한다면 그 주기는 얼마인가?
• RQ2 태양주기 길이가 태양활동의 진폭과 어떻게 관련되어 있으며, 특히 역사적 최소 활동기 동안에는 어떠한가?
• RQ3 여러 통계 기법을 사용하여 188년 주기의 주기 길이 변화가 독립적으로 확인될 수 있는가?
• RQ4 188년 주기와 기본 11년 Schwabe 주기 사이의 관계는 무엇이며, 태양활동에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 이 주기를 활용하여 태양주기의 시작 시점과 진폭 예측을 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 파워 스펙트럼 분석을 통해 sunspot 최소기 및 최대기 일자 (O-C) 잔차에서 188 ± 38년의 주요 장기 주기성이 확인되었다.
• 188년 주기는 역사적 태양활동 최소기와 일치하며, Wolf, Spörer, Maunder, Dalton의 네 가지 주요 최소기 모두가 이 주기의 상승 단계에 발생하였다.
• 주기 길이가 태양활동이 낮은 기간 동안 가장 길었으며, 특히 Maunder Minimum 기간 동안 sunspot 수가 거의 0에 가까운 상황에서도 주기 길이가 증가한 것으로 나타났다.
• 188년 주기는 Schwabe 주기와 강하게 상관관계가 있어, 11년 주기의 기본 주기 조절 메커니즘이 장기적 천체역학적 과정에 의해 영향을 받을 수 있음을 시사한다.
• 중앙값 추적 분석을 통해 183–243년 사이의 추가 주기성이 확인되었지만, 파워 스펙트럼 분석에서 유도된 188년 주기성이 관측 자료와 더 우수한 위상 일치도 및 일관성을 보였다.
• 모델은 향후 약 75년 동안 주기 길이가 계속 증가하고 sunspot 수가 감소할 것으로 예측하며, 이는 장기적 태양주기 예측의 향상 가능성을 뒷받침한다.