Солнечный цикл Швабе в 1000–1700 гг.: вариации длины и амплитуды

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Одной из наиболее существенных особенностей солнечной активности является ее изменчивость в широком диапазоне периодов при доминировании 11-летнего цикла или цикла Швабе. В данной работе проведен вейвлет-анализ данных о солнечной активности в 1000–1700 гг., полученных с использованием числа полярных сияний с учетом вклада геомагнитного поля. Полученные результаты демонстрируют стабильное наличие 11-летнего цикла в течение всего интервала времени 1000–1700 гг. Найдено, что в 1000–1350 гг. наблюдается систематическое увеличение длины цикла Швабе, после чего прослеживается ее падение. При этом длина солнечного цикла увеличивается во время гранд-минимумов Оорта (13 лет), Вольфа (14 лет) и Шперера (14–15 лет). Получено, что корреляция между амплитудой и длиной солнечного цикла сохранялась на всём промежутке времени 1000–1700 гг., но знак её менялся. Кроме того, получено, что корреляция между амплитудой цикла и длиной предыдущего цикла сильнее, чем корреляция между амплитудой и длиной того же самого цикла. Этот результат аналогичен известному ранее для инструментальных рядов. Однако мы показали, что эта закономерность сохраняется на значительно более длинном временном интервале, причем она не зависит от знака корреляции. В работе также получены указания на существование солнечной активности в 1000–1550 гг. вариации с периодом 30–40 лет.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Н. Г. Птицына

Санкт-Петербургский филиал Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН им. Н.В. Пушкова (СПбФ ИЗМИРАН)

Автор, ответственный за переписку.
Email: nataliaptitsyna@yahoo.com
Россия, Санкт-Петербург

И. М. Демина

Санкт-Петербургский филиал Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН им. Н.В. Пушкова (СПбФ ИЗМИРАН)

Email: nataliaptitsyna@yahoo.com
Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Иванов В.Г., Иванова К.Г., Наговицын Ю.А. Продолжительность одиннадцатилетнего цикла солнечной активности по данным исторических хроник за последние два тысячелетия // Тр. VII Пулковской межд. конф. по физике Солнца: “Климатические и экологические аспекты солнечной активности” / Ред. В.И. Макаров, Ю.А. Наговицын, В.Н. Обридко. Санкт-Петербург, Пулково, 7—11 июля 2003 г. СПб.: Изд-во ГАО РАН, 2003. С. 177—182.
  2. Ишков В.Н., Шибаев И.Г. Циклы солнечной активности: общие характеристики и современные границы прогнозирования // Изв. РАН. Сер. физ. 2006. Т. 70. № 10. С. 1439—1442.
  3. Наговицын Ю.А. Солнечная активность двух последних тысячелетий: “Служба Солнца” в древнем и средневековом Китае // Геомагнетизм и аэрономия. 2001. Т. 41. № 5. С. 711—720.
  4. Наговицын Ю.А. Изменения циклических характеристик магнитной активности Солнца на длительных временных шкалах // Геомагнетизм и аэрономия. 2014. Т. 54. № 6. С. 723—729.
  5. Обридко В.Н., Наговицын Ю.А. Солнечная активность, цикличность и методы прогноза. СПб.: ВВМ, 2017. 466 c.
  6. Птицына Н.Г., Демина И.М. Реконструкция солнечной активности в 1000—1700 гг. по данным о полярных сияниях с учетом вклада главного магнитного поля земли // Геомагнетизм и аэрономия. 2020. T. 60. № 3. С. 515—527. https://doi.org/10.31857/S0016794020030153
  7. Птицына Н.Г., Демина И.М. Частотная модуляция как причина возникновения дополнительных ветвей векового цикла Глейсберга в солнечной активности // Геомагнетизм и аэрономия. 2022. Т. 62. № 1. С. 48—61. https://doi.org/10.31857/S0016794022010163
  8. Птицына Н.Г., Демина И.М. Влияние цикла Глейсберга на вариации периода 11-летнего цикла солнечной активности в 1700—2021 гг. // Геомагнетизм и аэрономия. 2023. T. 63. № 3. С. 284—297. https://doi.org/10.31857/S0016794022600508
  9. Птицына Н.Г., Демина И.М., Тясто М.И. Вариации авроральной активности и главного магнитного поля Земли за триста лет (1600—1909 гг.) // Геомагнетизм и аэрономия. 2018. T. 58. № 6. C. 818—827. https://doi.org/10.1134/S0016794018060123
  10. Святский Д.О. Астрономия Древней Руси. М.: Русская панорама, 2007. 664 с.
  11. Bertello L., Pevtsov А.А., Ulrich Р.К. 70 Years of Chromospheric Solar Activity and Dynamics // Astrophys. J. 2020. V. 897. № 2. P. 181—195. https://doi.org/10.3847/1538-4357/ab9746
  12. Biswas A., Karak B.B., Usoskin I., Weisshaar E. Long-Term Modulation of Solar Cycles // Space Sci. Rev. V. 219. Article № 19. https://doi.org/10.1007/s11214-023-00968-w
  13. Brehm N., Bayliss A., Christl M., et al. Eleven-year solar cycles over the last millennium revealed by radiocarbon in tree rings // Nat. Geosci. 2021. V. 14. P. 10—15. https://doi.org/10.1038/s41561-020-00674-0
  14. Charbonneau P. Dynamo models of the solar cycle // Living Rev. Solar Phys. 2020. V. 17. Article № 4. https://doi.org/10.1007/s41116-020-00025-6
  15. Daubechies I. Ten lectures on wavelets. Philadelphia. Pennsylvania. USA: Society for industrial and applied mathematics, 1992. 369 p.
  16. Dicke R.H. Is there a chronometer hidden deep in the Sun? // Nature. 1978. V. 276. № 5689. P. 676—680.
  17. Dikpati M., Charbonneau P.A. Babcock-Leighton Flux Transport Dynamo with Solar-like Differential Rotation // Astrophys. J. 1999. V. 518. № 1. P. 508—520. https://iopscience.iop.org/article/10.1086/307269
  18. Ganopolski A., Rahmstorf S. Abrupt glacial climate changes due to stochastic resonance // Phys. Rev. Lett. 2002. V. 88. 038501. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.88.038501
  19. Grossman A., Morlet J. Decomposition of Hardy functions of constant shape // SIAM J. Math. 1984. V. 15. № 4. P. 723—736. https://doi.org/10.1137/0515056
  20. Eastoe C., Tucek C., Touchan R. Δ14C and Δ13C in annual tree-ring samples from sequoia dendron giganteum, AD998e1510: solar cycles and climate // Radiocarbon. 2019. V. 61. № 3. P. 661—680. https://doi.org/10.1017/RDC.2019.27
  21. Eddy J.A. The maunder minimum. Science. 1976. V. 192. № 4245. P. 1189—1202.
  22. Hoyng P. Helicity fluctuations in mean field theory: an explanation for the variability of the solar cycle? // Astron Astrophys. 1993. V. 272. P. 321—339.
  23. Fogtmann-Schulz A., Kudsk S.G.K., Trant P.L.K., Baittinger C., Karoff C., Olsen J., Knudsen M.F. Variations in solar activity across the Spörer Minimum based on radiocarbon in Danish oak // Geophys. Res. Lett. 2019. V. 46. P. 8617—8623. https://doi.org/10.1029/2019GL083537
  24. Fogtmann-Schulz A., Baittinger C., Karoff C., Olsen J., Knudsen M. Changes in Solar activity during the Wolf minimum: new insights from a high resolution 14C record based on Danish oak // Radiocarbon. 2021. V. 63. № 1. P. 91—104. https://doi.org/10.1017/RDC.2020.126
  25. Friis-Christensen E., Lassen K. Length of the solar cycle: An indicator of solar activity closely associated with climate // Science. V. 254. № 5032. P. 698—700.1991. https://doi.org/10.1126/science.254.5032.698
  26. Hathaway D.H. The Solar Cycle // Living Rev Solar Phys. 2015. V. 12. Article № 4. https://doi.org/10.1007/lrsp-2015-4
  27. Hathaway D.H., Wilson R.M., Reichman E.S. Group Sunspot Numbers: Sunspot Cycle Characteristics // Sol. Phys. 2002. V. 211. P. 357—370. https://doi.org/10.1023/A:1022425402664
  28. Inceoglu F., Simoniello R., Knudsen M.F., Karoff C., Olsen J., Turck-Chièze S., Jacobsen B.H. Grand solar minima and maxima deduced from 10Be and 14C: magnetic dynamo configuration and polarity reversal // Astron. Astrophys. 2015. V. 577. № A20. P. 20915. https://doi.org/10.1051/0004-6361/201424212
  29. Karak B.B., Jiang J., Miesch M.S., Charbonneau P., Choudhuri A.R. Flux Transport Dynamos: From Kinematics to Dynamics // Space Sci. Rev. 2014. V. 186. P. 561—602. https://doi.org/10.1007/s11214-014-0099-6
  30. Komitov B., Sello S., Duchlev P., Dechev M., Penev K., Koleva K. Sub- and Quasi-Centurial Cycles in Solar and Geomagnetic Activity Data Series // Bulgar. Astron. J. V. 25. P. 78—103. 2016.
  31. Kudsk S.G., M.F. Knudsen, Karoff C., Baittinger C., Misios S., Olsen J. Solar variability between 650 CE and 1900 — Novel insights from a global compilation of new and existing high-resolution 14C records // Quaternary Sci. Rev., 2022. V. 292. Article № 107617. https://doi.org/10.1016/j.quascirev.2022.107617
  32. McCracken K.G., Beer J., Steinhilber F., Abreu J. A phenomenological study of the cosmic ray variations over the past 9400 years, and their implications regarding solar activity and the solar dynamo // Solar Phys. 2013. V. 286. № 2. P. 609—627. https://doi.org/10.1007/s11207-013-0265-0
  33. Miyahara H., Masuda K., Muraki Y., Furuzawa H., Menjo H., Nakamura T. Cyclicity of solar activity during the Maunder Minimum deduced from radiocarbon content // Sol. Phys. 2004. V. 224. P. 317—322.
  34. Miyahara H., Masuda K. Kitagawa H., Nakamura T. Variation of solar activity during the Spoerer minimum // JGR Space Physics. 2006. V. 111. A03103. https://doi.org/10.1029/2005JA011016
  35. Moriya T., Miyahara, H., Ohyama M., Hakozaki M., Takeyam M., Sakurai H., Tokanai F. A study of variation of the 11-yr solar cycle before the onset of the Spoerer minimum based on annually measured 14C content in tree rings // Radiocarbon. 2019. V. 61. № 6. P. 1749—1754. https://doi.org/10.1017/RDC.2019.123
  36. Nagovitsyn Y.A., Pevtsov A.A. Duffing oscillator model of solar cycles // ApJL. 2020. V. 888. № 2. P. L26. https://orcid.org/0000-0003-0489-0920
  37. Ogurtsov M., Jungner H. Temporal evolution of statistical features of the sunspot cycles // Adv. Space Res. 2012. V. 50. № 6. P. 669—675. https://doi.org/10.1016/j.asr.2011.03.035
  38. Ogurtsov M.G., Nagovitsyn Yu.A., Kocharov G.E, Jungner H. Long-period cycles of the sun´s activity recorded in direct solar data and proxies // Solar Phys. 2002. V. 211. P. 371—394. https://doi.org/10.1023/A:1022411209257
  39. Popova E., Zharkova V., Shepherd S.J., Zharkov S. On a role of quadruple component of magnetic field in defining solar activity in grand cycles // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2018. V. 176. P. 61—71. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2017.05.006
  40. Richards M.T., Rogers M.L., Richards D. St.P. Long-term variability in the length of the solar cycle // Astron. Soc. Pac. PASP. 2009. V. 121. № 881. P. 797—809. https://doi.org/10.1086/604667
  41. Schove D.J. The sunspot cycle, 649-BC to AD-2000 // J. Geophys. Res. 1955. V. 60. P. 127—146.
  42. Scargle J.D. Wavelet and other multi-resolution methods for time series analysis / Statistical challenges in modern astronomy II. Ed. G.J. Babu and E.D. Feigelson. P. 333—347. N.Y., USA: Springer-Verlag, 1997.
  43. Siscoe G.L. Evidence in the auroral record for secular solar variability // Rev. Geophys. 1980. V. 1. № 8. P. 647—658.
  44. Solanki S.K., Krivova N.A., Schüssler M., Fligge M. Search for a relationship between solar cycle amplitude and length // Astron Astrophys. 2002. V. 396. P. 1029—1035. https://doi.org/10.1051/0004-6361:20021436
  45. Stuiver M., Braziunas T.F. Sun, ocean, climate and atmospheric 14CO2: an evaluation of causal and spectral relationships // Holocene. 1993. V. 3. № 4. P. 289—305. https://doi.org/10.1177/095968369300300401
  46. Usoskin I.G. A history of solar activity over millennia // Living Rev. Sol. Phys. 2017. V. 14. Article № 3. https://doi.org/10.1007/s41116-017-0006-9
  47. Usoskin I.G. Comment on the paper by Popova et al. On a role of quadruple component of magnetic field in defining solar activity in grand cycles // JASTP 2018. V. 176. P. 69—71.
  48. Usoskin I.G., Solanki S.K., Krivova N., Hofer B., Kovaltsov G.A., Wacker L., Breh N., Kromer B. Solar cycle activity over the last millennium reconstructed from annual 14C data // Astron. Astrophys. 2021. V. 664. Article № C3. https://doi.org/10.48550/arXiv.2103.15112
  49. Usoskin I.G., Solanki S.K., Kovaltstov G.A. Grand minima and maxima of solar activity: new observational constrains // Astron. Astrophys. 2007. V. 471 P. 301—309.
  50. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2017.09.018
  51. Veretenenko S., Ogurtsov M., Obridko V. Long-term variability in occurrence frequencies of magnetic storms with sudden and gradual commencements // J. Atm. Sol. Ter. Phys. 2020. V. 205. Article № 105295. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2020.105295
  52. Yau K.K.C., Stephenson F.R. A revised catalogue of Far Eastern observations of sunspots (165 BC to AD1918) // Q. J. R. Astr. Soc. 1988. V. 29. P. 175—197.
  53. Zharkova V., Shepherd S., Popova E, Zharkov S.I. Heartbeat of the Sun from Principal Component Analysis and prediction of solar activity on a millennium timescale // Sci. Rep. 2015. V. 5. Article № 15689. https://www.nature.com/articles/srep15689

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Фильтрация реконструированного по полярным сияниям ряда: (а) — SN, (б) — спектр SN, (в) — SNфил, (г) — спектр SNфил.

Скачать (192KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Реконструкции числа солнечных пятен: (a) — серая линия SNфил с 1000 до 1700 г. и SNнабл с 1700 до 2020 г.; (б) — SN14С. Черная линия на обеих панелях — значения, сглаженные окном 10 лет. Прямоугольниками выделены гранд-минимумы. Звездочками отмечены прямые наблюдения солнечных пятен в Восточной Европе.

Скачать (236KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Вейвлет-спектр SN. Черными кругами помечены максимумы, соответствующие 11-летней составляющей, серыми треугольниками — 30—40-летняя составляющая.

Скачать (116KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Изменения периода и амплитуды 11-летней составляющей во времени (1000—1700 гг.). Прямоугольные области соответствуют гранд-минимумам. Черная жирная линия — тренд.

Скачать (158KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Коэффициенты корреляции k между длиной и амплитудой солнечного цикла. Черная линия — для одного и того же цикла; серая линия — для сдвига между Т и А на 11 лет.

Скачать (62KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024