[논문 리뷰] Solar activity: intrinsic periodicities beyond 11 years

R. H. Cameron, M. Schuessler|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 13.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 10인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 태양 활동의 장기 주기성, 예를 들어 90년 주기의 글라이스버그 주기와 210년 주기의 드 뷰리스 주기 등이 태양 다이너모의 내재된 성질인지, 아니면 단지 확률적 노이즈에 의한 통계적 오염인지 테스트한다. 관측된 태양 활동으로 校정된 물리 기반의 노이즈 있는 정규형 모델(이하 NNF)을 사용하여, 11년 주기 이외의 모든 관측된 스펙트럼 피크가 실현 노이즈와 일관됨을 보여주며, 우주선 유도 동위원소 자료에서 3σ 피크가 약 25%의 확률로 나타나는 것으로 예상됨을 시사하여 내재된 주기성 해석에 의문을 제기한다.

ABSTRACT

Power spectra of solar activity based on historical records of sunspot numbers and on cosmogenic isotopes show peaks with enhanced power apart from the dominant 11-year solar cycle, such as the 90-year Gleissberg cycle or the 210-year de Vries cycle. In a previous paper we have shown that the overall shape of the power spectrum is well represented by the results of the generic normal form model for a noisy and weakly nonlinear limit cycle, with parameters all determined by observations. Using this model as a null case, we show here that all local peaks with enhanced power, apart from the 11-year band, are consistent with realisation noise. Even a $3σ$ peak is expected to occur with a probability of about 0.25 at least once among the 216 period bins resolved by the cosmogenic isotope data. This casts doubt upon interpretations of such peaks in terms of intrinsic periodicities of the solar dynamo process.

연구 동기 및 목표

• 태양 활동의 장기 주기성(예: 글라이스버그 주기 및 드 뷰리스 주기)이 내재된 것인지 통계적 변동성인지 평가하기.
• 태양 다이너모의 노이즈 있는 정규형 모델(이하 NNF)을 사용하여 태양 활동 파wer 스펙트럼에 대한 물리적으로 타당한 귀무가설 수립하기.
• 11년 주기 이외의 관측된 스펙트럼 피크가 NNF 모델 내의 확률적 노이즈로 설명될 수 있는지 테스트하기.
• 우주선 유도 동위원소 자료에서의 주기성 해석이 내재된 다이너모 모드의 증거로 간주되는 것에 도전하기.
• 비우연한 주기적 행동을 식별하기 위해 밴드패스 필터링 및 피크 유의성 검정의 타당성 평가하기.

제안 방법

• 다이폴라 및 토로이드 자기장 강도를 나타내는 복소수 변수 X에 대한 확률적 미분방정식을 사용: dX = [β + iω₀ - (γᵣ + iγᵢ)|X|²]X dt + σX dWc.
• 관측된 태양활동 회복 시간, 11년 주기, sunspot 수치의 진폭 및 진폭 변동성을 사용하여 모델 파라미터(β, ω₀, γᵣ, σ) 校정하기.
• 1000개의 NNF 모델 실현을 10,000년 동안 1일 간격으로 유저-마르야모 방법을 사용하여 생성하기.
• 우주선 유도 동위원소 자료와 모델 실현에 대해 롬브-스카르글 주기분석법을 적용하여 파워 스펙트럼 계산하기.
• 모델 파워 스펙트럼의 중앙값 및 99.865% percentiles를 관측 스펙트럼과 비교하여 유의성 평가하기.
• 관측 및 모델 시간계열에 대해 밴드패스 필터링을 수행하여, 필터링된 패턴이 내재된 주기성을 암시하는지 테스트하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 태양 활동에서 관측된 90년 주기의 글라이스버그 주기 및 210년 주기의 드 뷰리스 주기는 태양 다이너모의 내재된 성질인지, 아니면 확률적 노이즈에 의한 오염인지인가?
• RQ2 우주선 유도 동위원소 자료의 파워 스펙트럼에서 3σ 피크가 물리 기반의 다이너모 모델에서 실현 노이즈로 인해 발생할 확률은 얼마인가?
• RQ3 파워 스펙트럼에 대한 밴드패스 필터링은 비우연한 주기적 행동을 드러내는가, 아니면 노이즈 주도 시스템에서 내재된 주기성을 모방할 수 있는가?
• RQ4 태양 활동 기록에서 관측된 파워 스펙트럼의 형태 및 피크 통계는 노이즈가 있는 약한 비선형 리미트 사이클 모델로 완전히 설명될 수 있는가?
• RQ5 대규모 최소기/최대기의 위치가 데이터의 필터링된 주기성과 일치하는 것은 내재된 주기성의 증거인가, 아니면 노이즈와 일관된가?

주요 결과

• 11년 주기 이외의 모든 관측된 스펙트럼 피크—예를 들어 90년 주기의 글라이스버그 주기 및 210년 주기의 드 뷰리스 주기—는 NNF 모델 내 실현 노이즈와 일관됨을 보임.
• 우주선 유도 동위원소 자료에서 해상도가 216개의 주기 구간으로 이루어진 상태에서 3σ 피크가 발생할 확률은 최소한 약 0.25(25%)로 예상됨.
• NNF 모델은 대규모 최소기의 발생 및 통계를 포함하여 관측된 파워 스펙트럼의 전반적인 형태를 재현함.
• NNF 모델 실현에 대한 밴드패스 필터링은 관측 자료에서 관찰된 패턴과 정성적으로 유사한 패턴을 생성함을 시사하며, 이는 필터링이 노이즈와 내재된 주기성 간의 구분을 불가능하게 함.
• 전체 시간계열에서 뚜렷한 피크로 나타나는 것들은 종종 반시계열에서도 여전히 유의미한 파wer를 유지함을 보여, 비우연한 행동의 강력한 지표가 아님.
• 관측된 스펙트럼 피크의 날카움은 결정론적 내재 주기성보다는 랜덤한 기원을 지지함.