[论文解读] Long-term Variability in the Length of the Solar Cycle

Michael L. Rogers, Mercedes T. Richards+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2006

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 4

一句话总结

本研究利用1700–2005年的太阳黑子数和面积数据以及追溯至1610年的重建数据，调查了太阳周期长度的长期变异。通过功率谱分析和相位分散最小化分析，识别出周期长度中存在一个188 ± 38年的主导周期，该周期与历史极小期相关，表明11年施瓦贝周期受到长期调制，与太阳活动水平相关。

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.

研究动机与目标

• 调查太阳周期长度的长期变异，其周期范围为7至17年。
• 确定这种变异在数个世纪内是否表现出长期模式。
• 将周期长度的变化与历史低太阳活动时期（如蒙德极小期）联系起来。
• 通过引入长期周期长度调制，改进太阳周期模型。
• 使用独立的统计技术验证188年周期在周期长度中存在。

提出的方法

• 使用功率谱分析和相位分散最小化（PDM）对档案太阳黑子数数据（1700–2005）和太阳黑子面积数据（1874–2005）进行分析。
• 对太阳黑子周期长度应用中位数轨迹分析，以检测周期持续时间中的长期周期。
• 对太阳黑子极小期和极大期日期的（O-C）残差进行功率谱分析，以识别周期性。
• 使用1610–2000年的重建太阳黑子数据，将推导出的周期与历史太阳极小期（奥尔特、沃尔夫、朔珀、蒙德、道尔顿）进行比较。
• 使用基于树木年轮中放射性碳浓度重建的太阳黑子数（Solanki et al., 2004），以扩展数据覆盖范围。
• 通过不同数据集和周期内相位对齐与振幅一致性，评估模型拟合效果。

实验结果

研究问题

• RQ1 太阳周期长度是否存在长期的长期周期？若存在，其周期是多少？
• RQ2 太阳黑子周期长度与太阳活动振幅之间有何相关性，特别是在历史极小期期间？
• RQ3 能否通过多种独立统计技术确认周期长度中存在188年周期？
• RQ4 188年周期是否与基本的11年施瓦贝周期相关？它如何调制太阳活动？
• RQ5 该周期能否用于改进太阳周期开始时间和振幅的预测？

主要发现

• 通过功率谱分析，在太阳黑子极小期和极大期日期的（O-C）残差中识别出一个188 ± 38年的主导长期周期。
• 188年周期与历史太阳极小期一致，所有四个主要极小期（沃尔夫、朔珀、蒙德、道尔顿）均发生在该周期的上升阶段。
• 在太阳活动较低时期，周期长度最高，特别是在蒙德极小期，尽管黑子数接近零，周期长度仍显著增加。
• 188年周期与施瓦贝周期强烈相关，表明11年周期受到更长期动力过程的根本性调制。
• 中位数轨迹分析识别出183–243年的其他周期，但来自功率谱分析的188年周期在相位对齐和与观测数据的一致性方面表现更优。
• 该模型预测在未来约75年内周期长度将持续增加，同时太阳黑子数将下降，支持改进长期太阳周期预测。