Quasi-biennial impulses of solar activity.

Quasi-biennial impulses of solar activity. Analiza harmoniczna wybranych wskaźników aktywności Słońca w czterech cyklach plamowych 19-22 Stanisław Zięba Obserwatorium Astronomiczne UJ

Abstract Using harmonic and filter technique five solar time series comprising observations made in the years 1952-1999 (cycles 19-22) were analysed for the investigation of solar activity variations in the form of 1-3 years impulses. The applied approach allowed to distinguish in solar cycles various multi-peaked temporal structures with small amplitudes. The structures are similar in all the investigated time series. They appear in different phases of the 11-year cycle, are probably independent from its shape and may be connected with the dynamo located according to the two dynamo model suggested by Benevolenskaya near thee top of the convection zone. The periods of the main harmonic of the analysed indices are very close to each other and they are between 3863 days for Fe XIV Coronal Index and 3953 days for Lyman radiation.

Co to są impulsy aktywności? Gładząc przebieg dowolnego wskaźnika aktywności filtrem dolnoprzepustowym otrzymujemy pewien obraz zmian aktywności zależny od szerokości filtru. Od ponad 50 lat różni badacze aktywności wyróżniali w tych przebiegach rozmaite struktury takie jak dziury, czy też podwójne i wtórne maksima, struktury o czasach trwania od pół roku do dwutrzech lat. W roku 1985 Antalova i Gnevyshev sugerują, że cykl aktywności może składać się nawet z kilkunastu impulsów aktywności o czasach trwania rzędu 0.5-2 lat, formowanych przez wielokrotnie pojawiające się, długo żyjące kompleksy aktywności. W ostatnich kilku latach Benevolenskaya analizując magnetogramy słoneczne wysunęła hipotezę, że w cyklu magnetycznym Słońca należy wyróżnić dwie składowe: 1) składową niskoczęstotliwościową odpowiedzialną za cykl 22-letni (cykl Hala) i 2) składową wysokoczęstotliwościową (cykl quasi-dwuletni) związaną z impulsami aktywności. Według niej cykl Hala generowany jest przez dynamo dolne, usytuowane blisko dna warstwy konwektywnej, zaś za cykl quasi-dwuletni odpowiada dynamo górne działające przy powierzchni warstwy konwektywnej. Dynama te są słabo sprzężone.

Wygładzony 81-dniową średnią bieżącą przebieg wskaźnika ISN Wygładzony 81-dniowym filtrem gaussowskim przebieg wskaźnika ISN. Widać, że filtr gaussowski lepiej obcina składowe wysokoczęstotliwościowe niż średnia bieżąca.

Problemy i pytania 1. Czy analizując przebiegi różnych wskaźników aktywności można potwierdzić hipotezę dwuletniego cyklu i impulsów aktywności? 2. W jaki sposób z szeregów obserwacyjnych można wyodrębnić przebiegi generowane prze cykl dwuletni oraz impulsy aktywności? 3. Jeżeli to się uda, to jak porównać energetykę cyklu plamowego z cyklem dwuletnim? 4. Jak silnie cykl dwuletni jest związany z cyklem plamowym? Czy są to procesy niezależne? 5. Czy impulsy aktywności są powiązane z cyklem dwuletnim, czy może są one elementami cyklu plamowego. 6. Jak bardzo różnią się między sobą parametry cyklu plamowego (np. momenty maksimów i minimów, długości faz, relacje energetyczne itp.) wyznaczane z różnych szeregów obserwacyjnych.

Analysed Solar Data Sets ISN (International sunspot number) Lym (Lyman -121.6 nm- irradiance) Rcs Cra (Residuals of radio flux at 810 MHz ri = fi 0.365 ISNi ) ICor (Fe XIV -530.3 nm- Coronal Index) Ott (Solar radio flux density at 2800 MHz) Cra (Solar radio flux density at 810 MHz) Res Ott (Residuals of radio flux at 2800 MHz ri = fi 0.865 ISNi ) Start 1.01.1952 day number 1 End 9.01.1998 day number 16811 Cracow observations started on 1.10.1957 day number 2101

Lyman Coronal index Wygładzone 81-dniowym filtrem gaussowskim przebiegi wskaźników Lym i Indeks Coronalny

Ottawa 2800 MHz Cracow 810 MHz Wygładzone 81-dniowym filtrem gaussowskim przebiegi strumieni radiowych obserwowane w Ottawie i Krakowie na falach 10.7 i 37 cm.

Res Ott r=f-0.865 ISN Res Cra r=f-0.365 ISN Wygładzone 81-dniowym filtrem gaussowskim pozostałości powstałe po odjęciu od obserwowanego promieniowania radiowego wartości proporcjonalnych do ISN.

Metoda analizy 1. Metodą najmniejszych kwadratów znajdowane są amplitudy, okresowości i fazy najsilniejszych harmonik. 2. Z harmonik o okresach >1157 dni (10 nhz) odtwarzany jest przebieg cyklu plamowego, czyli cyklu 11-letniego generowanego przez dynamo dolne. {Kwadrat tego przebiegu przedstawia energię sprawczą związaną z dynamem dolnym.} 3. Od szeregu obserwacyjnego odejmowany jest cykl plamowy, a pozostałość przefiltrowana filtrem gaussowskim o szerokości 324 dni (12 rotacji) daje przebieg zawierający harmoniki o okresach w przedziale od ~324 do 1154 dni. {Kwadrat tego przebiegu wygładzony filtrem gaussowskim ( =730 dni) przedstawia energię sprawczą związaną z dynamem górnym.} 4. Podnosząc do kwadratu znalezione w kroku (1) harmoniki o okresach z przedziału 324-1154 dni i gładząc je filtrem gaussowskim o zadanym uzyskiwana jest innym sposobem energia sprawcza górnego dynama.

Cykl plamowy (11-letni) złożony z harmonik o okresach >1154 dni. Pionowe linie wskazują położenia maksimów i minimów (dni liczone od 1952). Wytłuszczone liczby to długości cyklów ISN 829 833 2247 [3878] 4707 2165 [3896] 4729 6214 6377 [4197] 8904 [4180] 8909 8920 10488 [3646] 12550 13923 [3552] 16102 10315 [3807] 12716 14034 [3760] 16476 Lym ICor 873 2100 [3897] 4770 6093 [4150] 801 2250 [3883] 4684 6077 [4208] ~2339 [3833] 11000 [3733] 12653 13840 [3136] 15789 14011 [3705] 16278 [3574] 16140 Ott 8892 10570 [3681] 12573 Cra ~600 4433 6151 [4451] 8884 10386 [3682] 12566 13957

Parametry harmonik o największej amplitudzie wyznaczone dla 5 analizowanych wskaźników aktywności ISN Lym Icor Ott Cra < > Freq [nhz] 2.951 2.928 2.996 2.940 2.975 2.958 Okres [dni] 3922 3953 3863 3937 3890 3913 =90 dni Okres [lata] 10.745 10.830 10.584 10.786 10.657 10.720 Amplituda 66.1 0.958 5.10 61.2 27.8 Faza [o] 219 222 196 222 (215) 215 =26o Wartości amplitud tych harmonik zostały przyjęte jako charakterystyczne jednostki własne analizowanych wskaźników. W jednostkach tych przedstawiane są wszystkie kolejne wykresy przebiegów konstruowanych z różnych harmonik. Takie cechowanie amplitud umożliwia łatwe porównywanie struktur widocznych w otrzymywanych przebiegach różnych wskaźników.

Obserwacje ISN wygładzone 324-dniowym filtrem gaussowskim oraz kwadraty przebiegów uzyskiwanych z różnych harmonik. ISN kwadrat przebiegu cyklu plamowgo [pionowe linie skali 500-600 dni] wygładzony filtrem gaussowskim o szerokości 135 dni kwadrat przebiegu złożonego z harmonik o okresach z przedziału 135-1154 dni [1] wygładzony filtrem gaussowskim o szerokości 540 dni kwadrat przebiegu złożonego z harmonik o okresach z przedziału 324-1154 dni [1] wygładzony filtrem gaussowskim o szerokości 540 dni kwadrat przebiegu złożonego z harmonik o okresach z przedziału 324-1154 dni [2]

Obserwacje Lym wygładzone 324-dniowym filtrem gaussowskim oraz kwadraty przebiegów uzyskiwanych z różnych harmonik. Lym kwadrat przebiegu cyklu plamowgo [pionowe linie skali 500-600 dni] wygładzony filtrem gaussowsk im o szerokości 135 dni kwadrat przebiegu złożonego z harmonik o okresach z przedziału 135-1154 dni [1] wygładzony filtrem gaussowskim o szerokości 540 dni kwadrat przebiegu złożonego z harmonik o okresach z przedziału 324-1154 dni [1] wygładzony fil trem gaussowskim o szerokości 540 dni kwadrat przebiegu złożonego z harmonik o okresach z przedziału 324-1154 dni [2]

Obserwacje ICor wygładzone 324-dniowym filtrem gaussowskim oraz kwadraty przebiegów uzyskiwanych z różnych harmonik. Coronal Index kwadrat przebiegu cyklu plamowgo [pionowe linie skali 500-600 dni] wygładzony filtrem gaussowsk im o szerokości 135 dni kwadrat przebiegu złożonego z harmonik o okresach z przedziału 135-1154 dni [1] wygładzony filtrem gaussowskim o szerokości 540 dni kwadrat przebiegu złożonego z harmonik o okresach z przedziału 324-1154 dni [1] wygładzony fil trem gaussowskim o szerokości 540 dni kwadrat przebiegu złożonego z harmonik o okresach z przedziału 324-1154 dni [2]

Obserwacje Ottawy wygładzone 324-dniowym filtrem gaussowskim oraz kwadraty przebiegów uzyskiwanych z różnych harmonik. Ott kwadrat przebiegu cyklu plamowgo [pionowe linie skali 500-600 dni] wygładzony fil trem gaussowskim o szerokości 135 dni kwadrat przebiegu złożonego z harmonik o okresach z przedziału 135-1154 dni [1] wygładzony filtrem gaussowskim o szerokości 540 dni kwadrat przebiegu złożonego z harmonik o okresach z przedziału 324-1154 dni [1] wygładzony filtrem gaussowskim o szerokości 540 dni kwadrat przebiegu złożonego z harmonik o okresach z przedziału 135-1154 dni [2]

Obserwacje Krakowskie wygładzone 324-dniowym filtrem gaussowskim oraz kwadraty przebiegów uzyskiwanych z różnych harmonik. Cra kwadrat przebiegu cyklu plamowgo [pionowe linie skali 500-600 dni] wygładzony filtrem ga ussowskim o szerokości 135 dni kwadrat przebiegu złożonego z harmonik o okresach z przedziału 135-1154 dni [1] wygładzony filtrem gaussowskim o szerokości 540 dni kwadrat przebiegu złożonego z harmonik o okresach z przedziału 324-1154 dni [1] wygładzony filtrem gaussowskim o szerokości 540 dni kwadrat przebiegu złożonego z harmonik o okresach z przedziału 324-1154 dni [2]

Impulsy Aktywności? Podniesione do kwadratu przebiegi złożone z harmonik o okresach 135-1154 dni wyśredniowane filtrem gaussowskim o szerokości 135 dni [135,135] ISN Lym Icor! Ott Cra Res Ott Res Cra

Cykl dwuletni? Podniesione do kwadratu przebiegi złożone z harmonik o okresach 324 1154 dni wyśredniowane filtrem gaussowskim o średnicy 540 dni (harmoniki z MNK - metoda 2). ISN Lym ICor Ott Cra Res Ott Res Cra

Cykl dwuletni? Podniesione do kwadratu przebiegi złożone z harmonik o okresach 324-1154 dni wyśredniowane filtrem gaussowskim o szerokości 730 dni. (metoda 1). Wytłuszczone wartości wskazują położenia maksimów. ISN 1644 7230 3905 9396 10191 12470 14129 Lym 1593 4374 1589 4345 7194 7058 8877 8577 10839 11890 10621 14139 12921 14416 ICor Ott 1300 4505 7141 11353 14059 Cra 4404 5704 7242 10570 14138

Tabela powierzchni wyliczanych z kwadratów przebiegów złożonych 1) z harmonik o okresach >1154 dni (cykl plamowy) 2) z harmonik o okresach 324 1154 dni (cykl dwu-letni) ISN Cykl 19 20 21 22 a a2l/ ap b/a a1/a a/a 19 a a2l/ ap b/a a1/a a/a 19 a a2l/ ap b/a a1/a a/a 19 a a2l/ ap b/a a1/a a/a 19 Plam. 9129 0.003 0.441 1.000 4531 0.008 0.380 0.496 7697 0.003 0.466 0.843 7881 0.008 0.419 0.863 Lym 2-letni Plam. 2-letni 15.5 96990 7.4 0.0017 0.00008 0.545 0.642 0.357 0.503 1.000 1.000 1.000 28.4 86625 20.2 0.0063 0.00023 0.677 0.171 0.416 0.208 1.840 0.893 2.724 17.1 93576 14.6 0.0022 0.00016 0.582 0.504 0.357 0.085 1.108 0.965 1.964 44.9 90097 41.0 0.0057 0.00046 0.593 0.412 0.379 0.479 2.905 0.929 5.530 ICor Plam. 7672 0.068 0.287 1.000 11049 0.055 0.326 1.440 13071 0.069 0.547 1.704 17301! 0.070 0.395 2.255 2-letni 12.3 0.0016 0.541 1.000 63.7 0.0058 0.082 5.200 57.4 0.0044 0.580 4.686 46.3 0.0027 0.412 3.776 Ott Cra Plam. 2-letni 25044 14.5 0.00058 0.191 0.425 0.626 1.000 1.000 15545 32.9 0.0021 0.354 0.327 0.119 0.621 2.277 20702 16.2 0.00078 0.215 0.499 0.456 0.827 1.124 19936 63.2 0.0032 0.246 0.428 0.503 0.796 4.375 Plam. 2-letni 27676 14.8 0.00053 0.202 0.455 0.290 1.000 1.000 20494 58.6 0.0029 0.317 0.379 0.288 0.740 3.973 24363 22.8 0.00094 0.221 0.426 0.507 0.880 1.549 23416 51.5 0.0022 0.223 0.419 0.465 0.846 3.489

Wnioski 1. Uzyskane wyniki wskazują, że zastosowany sposób analizy danych pozwala łatwo i w miarę niezależnie od stosowanego filtru wyodrębniać w przebiegach wskaźników aktywności jej impulsy. 2. Impulsy raczej unikają minimów cyklu plamowego, jednak niezależne badanie ich przebiegów, bez znajomości cyklu plamowego, nie pozwala na jego jednoznaczne odtworzenie. Można więc przyjąć, że są od niego niezależne. Potwierdzają to również rachunki prowadzone osobno dla każdego cyklu, gdyż dają one takie same położenia impulsów jak te wyznaczane w rachunku zbiorczym. 3. Uzyskiwane dla poszczególnych wskaźników rozkłady impulsów, są bardzo podobne, chociaż widoczne są również pewne różnice. 4. Maksima struktur o okresach rzędu dwu lat (cykl dwuletni) pokrywają się z maksimami impulsów, co może wskazywać na ich wzajemne powiązania.

Wnioski 5. Ponieważ stosunki pól pod przebiegami obrazującymi cykl dwuletni do pól pod przebiegami cyklu plamowego są bardzo małe (rzędu połowy procenta zob. tabela powierzchni) można przyjąć, że ich relacje energetyczne są podobne. 6. Okresy i fazy podstawowych harmonik wyznaczane dla wszystkich analizowanych szeregów są prawie identyczne, jednak parametry cyklów plamowych wykazują już większe różnice.