[论文解读] 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 11

一句话总结

本研究基于极地冰芯中的宇宙成因 10Be 数据，分析了长达 9,300 年的太阳活动非线性动力学，采用非线性动力学、傅里叶分析与小波分析，以及阻尼随机游走（DRW）建模方法。结果表明，太阳活动处于混沌的边缘，滤波处理后显示出更规律的行为，且具有 1,000 年时间尺度的 DRW 模型能很好地拟合数据，表明长期太阳活动变异性由确定性非线性过程主导，而非纯粹的随机性。

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.

研究动机与目标

• 利用 10Be 数据确定太阳活动在长期尺度上是否表现出混沌、周期性或随机行为。
• 将基于 10Be 的太阳活动代理指标的动力学与先前研究的 14C 数据进行比较，以评估其一致性和稳健性。
• 评估阻尼随机游走（DRW）模型是否能准确描述 10Be 数据中的长期变异性。
• 研究地磁场变化和非太阳信号对宇宙成因核素记录的影响。
• 评估滤波在揭示太阳活动周期潜在规律性方面的作用。

提出的方法

• 应用非线性动力学技术，包括嵌入维数和虚假最近邻点分析，以重建 10Be 时间序列的相空间。
• 采用延迟坐标嵌入法分析时间序列，检测低维混沌行为。
• 执行傅里叶变换与连续小波变换，以识别 10Be 数据中的准周期性。
• 将阻尼随机游走（DRW）模型拟合至 10Be 数据，估计其特征时间尺度为 1,000 年。
• 将 10Be 数据的功率谱密度与 DRW 过程的功率谱密度进行比较，以评估随机过程对确定性混沌的近似程度。
• 将 10Be 数据与 14C 数据进行相关性分析，以检验其相互一致性及信号的太阳起源。

实验结果

研究问题

• RQ1 过去 9,300 年间，太阳活动最适宜被描述为混沌、周期性还是随机行为？
• RQ2 基于 10Be 的太阳活动代理指标的非线性动力学与基于 14C 数据推导的动力学相比如何？
• RQ3 是否可以使用具有固定 1,000 年时间尺度的阻尼随机游走模型准确描述 10Be 数据中的长期变异性？
• RQ4 地磁场变化和非太阳过程在塑造 10Be 信号中起什么作用？
• RQ5 去除短周期变化后，在多大程度上能揭示出更规律的潜在太阳周期？

主要发现

• 基于 10Be 数据推断的太阳活动周期表现出处于混沌边缘的行为，表明其具有确定性的非线性动力学特征。
• 滤除周期低于 380 年和 57 年的波动后，太阳活动周期显著更加规律，表明短期噪声掩盖了潜在的周期性。
• 具有 1,000 年特征时间尺度的阻尼随机游走（DRW）模型能很好地拟合 10Be 数据，尽管 DRW 是线性随机过程。
• 10Be 数据的功率谱分布与 DRW 过程一致，但其谱斜率更陡，表明对混沌的随机近似部分成立。
• 10Be 与 14C 时间序列高度相关，二者均反映太阳活动和地磁场强度，受气候或地球化学过程的污染极小。
• 通过傅里叶分析与小波分析在 10Be 数据中识别出的 1,000 年准周期与先前黑子数重建结果一致，支持长期太阳调制周期的存在。