[論文レビュー] Correlation study of some solar activity indices in the cycles 21 - 23

Е. А. Бруевич, В. В. Бруевич|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2013

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 18被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、太陽周期21〜23にわたり、月次平均を用いて、 sunspot number (SSN)、10.7 cm ラジオフラックス (F₁₀.₇)、Mg II コア対ウィング比、F₅₃₀、フレアインデックス、フレア数の6つの太陽活動指標の相関を分析している。線形相関において、F₁₀.₇との相関は周期の極小期および極大期に著しく弱まり、相関係数（K_corr）は11年周期に2回、最小値を示す。これは、極端な段階における太陽活動の結合に非線形性が存在することを示している。

ABSTRACT

The correlation coefficients of the linear regression of six solar indices versus F10,7 were analyzed in solar cycles 21, 22 and 23. We also analyzed the interconnection between these indices and F10,7 with help of the approximation by the polynomials of second order. The indices we've studied in this paper are: Wolf numbers - W, 530,3 nm coronal line flux - F530, the total solar irradiance - TSI, Mg II UV-index 280 nm core-to-wing ratio, Flare Index - FI and Counts of flares. In the most cases the regressions of these solar indices versus F10,7 are close to linear except the moments of time near to the minimums and maximums of 11-year activity. For the linear regressions we found that the values of correlation coefficients Kcorr(t) for the indices versus F10,7 and W show the cyclic variations with periods approximately equal to the to half length of 11-year cycle - 5,5 years approximately.

研究の動機と目的

• 太陽周期21〜23にわたり、主な太陽活動指標と10.7 cm ラジオフラックス（F₁₀.₇）との時間依存的線形および非線形関係を調査すること。
• F₁₀.₇が太陽のEUV/UV放射の代理指標としての信頼性を、複数の指標との相関を比較することで評価すること。
• F₁₀.₇またはSSNとの指標間相関が、11年周期にわたり系統的に変化するかどうか、特に極小期および極大期において評価すること。
• 線形回帰と2次多項式回帰モデルの性能を比較し、F₁₀.₇と太陽指標間の相関関係を捉える能力を評価すること。
• 3年間隔の周期的挙動を評価し、相関係数（K_corr）の変動を定量的に評価し、線形結合が最も強く、最も弱い段階を特定すること。

提案手法

• 太陽周期21〜23にわたり、SSN、F₁₀.₇、Mg II コア対ウィング比、F₅₃₀、フレアインデックス、フレア数の6つの太陽活動指標の月次平均値を用いた。
• 3年間隔の移動ウィンドウを用いて、各指標とF₁₀.₇、および各指標とSSNとの間の時間依存的相関係数（K_corr）を線形回帰で計算した。
• 特に周期の極小期および極大期において、指標とF₁₀.₇との非線形的依存関係をモデル化するために、2次多項式フィッティングを採用した。
• すべての指標を全期間の平均値で正規化し、指標間比較を可能にするとともに、振幅スケールバイアスを低減した。
• 各指標の全フラックスにおける背景成分と活動領域（AR）成分の寄与度を分析し、背景フラックス（F_ind^background）と活動領域フラックス（ΔF_ind^AR）を区別した。
• F_ind(t) = F_ind^background(t) + ΔF_ind^AR(t) の分解を用いて、ARフラックスが極大期に優勢になる際の線形からの逸脱を説明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 F₁₀.₇との太陽活動指標間の線形相関は、11年周期のどの段階でも変化するか？
• RQ2 周期の極小期や極大期のような特定の段階では、F₁₀.₇と他の指標との線形関係が崩れるか？
• RQ3 線形回帰と2次多項式フィッティングの性能を比較すると、F₁₀.₇とさまざまな太陽指標との関係をモデル化する際にどちらが優れているか？
• RQ4 なぜ一部の指標（例：フレア数）はF₁₀.₇とSSNの両者と同等の相関強度を示す一方、他の指標（例：Mg II、F₅₃₀）はF₁₀.₇との相関が強いのか？
• RQ5 周期の極小期および極大期に観測される相関係数（K_corr）の最小値は、何が原因で生じるのか？また、背景フラックスと活動領域フラックスの相対的優位性とはどのように関係するのか？

主な発見

• F₁₀.₇との太陽指標間の相関係数（K_corr）は、11年周期に2回、最小値を示す。1回は活動の極小期近く、もう1回は極大期近くに観測される。
• Mg II、F₅₃₀、フレアインデックス、TSIとの線形回帰において、F₁₀.₇との相関がSSNより強いことから、F₁₀.₇がコロナおよびコアリック放射のより良い代理指標であることが示唆される。
• フレア数については、F₁₀.₇との相関がSSNとの相関と統計的に区別できない。これは、フレア数に「静穏太陽」のベースラインが存在する一方で、SSNの最小値がゼロであるためである。
• 2次多項式フィッティングにより、周期の極端な段階で非線形挙動が支配的であることが確認された。この段階では、活動領域寄与（ΔF_ind^AR）が背景フラックス（F_ind^background）と同等またはそれを上回る。
• 周期上昇期および下降期には線形関係が最も強く、K_corrがピークに達する。これは、F₁₀.₇がこれらの段階において太陽指標の予測に最も信頼性が高いことを示している。
• 本研究は、周期の極小期および極大期における線形相関の崩壊が、背景フラックスに比して活動領域放射の影響が顕著になることに起因することを確認した。