On the Source of Propagating Slow Magnetoacoustic Waves in Sunspots

Recent high-resolution observations of sunspot oscillations using simultaneously operated ground- and space-based telescopes reveal the intrinsic connection between different layers of the solar atmosphere. However, it is not clear whether these oscillations are externally driven or generated in situ. We address this question by using observations of propagating slow magnetoacoustic waves along a coronal fan loop system. In addition to the generally observed decreases in oscillation amplitudes with distance, the observed wave amplitudes are also found to be modulated with time, with similar variations observed throughout the propagation path of the wave train. Employing multi-wavelength and multi-instrument data, we study the amplitude variations with time as the waves propagate through different layers of the solar atmosphere. By comparing the amplitude modulation period in different layers, we find that slow magnetoacoustic waves observed in sunspots are externally driven by photospheric p-modes, which propagate upward into the corona before becoming dissipated.

Contributos para a análise estatística de séries de contagem

A análise das séries temporais de valores inteiros tornou-se, nos últimos anos, uma área de investigação importante, não só devido à sua aplicação a dados de contagem provenientes de diversos campos da ciência, mas também pelo facto de ser uma área pouco explorada, em contraste com a análise séries temporais de valores contínuos. Uma classe que tem obtido especial relevo é a dos modelos baseados no operador binomial thinning, da qual se destaca o modelo auto-regressivo de valores inteiros de ordem p. Esta classe é muito vasta, pelo que este trabalho tem como objectivo dar um contributo para a análise estatística de processos de contagem que lhe pertencem. Esta análise é realizada do ponto de vista da predição de acontecimentos, aos quais estão associados mecanismos de alarme, e também da introdução de novos modelos que se baseiam no referido operador. Em muitos fenómenos descritos por processos estocásticos a implementação de um sistema de alarmes pode ser fundamental para prever a ocorrência de um acontecimento futuro. Neste trabalho abordam-se, nas perspectivas clássica e bayesiana, os sistemas de alarme óptimos para processos de contagem, cujos parâmetros dependem de covariáveis de interesse e que variam no tempo, mais concretamente para o modelo auto-regressivo de valores inteiros não negativos com coeficientes estocásticos, DSINAR(1). A introdução de novos modelos que pertencem à classe dos modelos baseados no operador binomial thinning é feita quando se propõem os modelos PINAR(1)T e o modelo SETINAR(2;1). O modelo PINAR(1)T tem estrutura periódica, cujas inovações são uma sucessão periódica de variáveis aleatórias independentes com distribuição de Poisson, o qual foi estudado com detalhe ao nível das suas propriedades probabilísticas, métodos de estimação e previsão. O modelo SETINAR(2;1) é um processo auto-regressivo de valores inteiros, definido por limiares auto-induzidos e cujas inovações formam uma sucessão de variáveis independentes e identicamente distribuídas com distribuição de Poisson. Para este modelo estudam-se as suas propriedades probabilísticas e métodos para estimar os seus parâmetros. Para cada modelo introduzido, foram realizados estudos de simulação para comparar os métodos de estimação que foram usados.

Modélisation de l'irradiance solaire spectrale dans le proche et moyen ultraviolet

Nous présentons un modèle pour l’irradiance solaire spectrale entre 200 et 400 nm. Celui-ci est une extension d’un modèle d’irradiance solaire totale basé sur la simulation de la fragmentation et l’érosion des taches qui utilise, en entrée, les positions et aires des taches observées pour chaque pas de temps d’une journée. L’émergence des taches sur la face du Soleil opposée à la Terre est simulée par une injection stochastique. Le modèle simule ensuite leur désintégration, qui produit des taches plus petites et des facules. Par la suite, l’irradiance est calculée en sommant la contribution des taches, des facules et du Soleil inactif. Les paramètres libres du modèle sont ajustés en comparant les séquences temporelles produites avec les données provenant de divers satellites s’étalant sur trois cycles d’activité. Le modèle d’irradiance spectrale, quant à lui, a été obtenu en modifiant le calcul de la contribution des taches et des facules, ainsi que celle du Soleil inactif, afin de tenir compte de leur dépendance spectrale. Le flux de la photosphère inactive est interpolé sur un spectre synthétique non magnétisé, alors que le contraste des taches est obtenu en calculant le rapport du flux provenant d’un spectre synthétique représentatif des taches et de celui provenant du spectre représentatif du Soleil inactif. Le contraste des facules est quand à lui calculé avec une procédure simple d’inversion de corps noir. Cette dernière nécessite l’utilisation d’un profil de température des facules obtenu à l’aide de modèles d’atmosphère. Les données produites avec le modèle d’irradiance spectrale sont comparées aux observations de SOLSTICE sur UARS. L’accord étant peu satisfaisant, particulièrement concernant le niveau d’irradiance minimal ainsi que l’amplitude des variations, des corrections sont appliquées sur le flux du Soleil inactif, sur le profil de température des facules, ainsi qu’à la dépendance centre-bord du contraste des facules. Enfin, un profil de température des facules est reconstruit empiriquement en maximisant l’accord avec les observations grâce à un algorithme génétique. Il est utilisé afin de reconstruire les séquences temporelles d’irradiance jusqu’en 1874 à des longueurs d’ondes d’intérêt pour la chimie et la dynamique stratosphérique.

Modélisation de l'évolution du réseau magnétique au cours du cycle solaire

Le réseau magnétique consiste en un ensemble de petites concentrations de flux magnétique sur la photosphère solaire. Vu sa petite échelle de taille et de flux, à la limite de détection, son comportement n'est connu que depuis récemment. Les interactions du réseau sont pourtant cruciales afin de comprendre la dynamo et l'irradiance solaires, car beaucoup de caractérisques du réseau dépendent de ces interactions. De plus, le réseau est la principale contribution magnétique surfacique à l'irradiance solaire. Les modèles existants du réseau ne tenaient jusqu'à maintenant pas compte des interactions du réseau. Nous avons tenté de combler cette lacune avec notre modèle. Nos simulations impliquent une marche aléatoire en 2D de tubes de flux magnétiques sur la photosphère solaire. Les tubes de flux sont injectés puis soumis à des règles de déplacement et d'interaction. L'injection se fait à deux échelles, respectivement la plus petite et la plus grande observables: les tubes de flux élémentaires et les taches solaires. Des processus de surface imitant ceux observés sont inclus, et consistent en l'émergence, la coalescence, l'annulation et la submergence de flux. La fragmentation des concentrations n'est présente que pour les taches, sous forme de désintégration libérant des tubes de flux. Le modèle est appliqué au cycle solaire 21 (1976-1986, le mieux documenté en termes de caractéristiques de taches solaires. Il en résulte des réponses à deux questions importantes en physique solaire. La première est: l'injection de flux magnétique à deux échelles très distinctes peut-elle conduire à une distribution de flux en loi de puissance comme on l'observe, si l'on inclut des processus de surface qui retraitent le flux? Cette question est étroitement liée à l'origine de la dynamo solaire, qui pourrait produire ladite distribution. Nous trouvons qu'on peut effectivement produire une telle distribution avec ce type d'injection et ce type de processus de surface. Cela implique que la distribution de flux observée ne peut servir à déterminer quel type de dynamo opère dans le Soleil. La deuxième question à laquelle nous avons apporté un élément de réponse est celle à savoir combien de temps il faut au réseau pour retrouver son état d'activité de base. Cet état a été observé lors du minimum de Maunder en 1645-1715 et touche de près la question de l'influence de l'activité solaire sur le climat terrestre. Le récent minimum d'activité est considéré par certains comme ayant atteint cet état. Nous trouvons plutôt que ça n'a pas été le cas. En effet, le temps de relaxation du réseau que nous avons calculé est supérieur au temps écoulé entre la fin du dernier cycle solaire d'activité et celui de l'amorce du présent cycle.

Modélisation de l'irradiance solaire totale et spectrale et applications à la chimie stratosphérique terrestre

Cette thèse présente des reconstructions de l'irradiance totale et spectrale durant les 400 dernières années à l'aide des modèles pour l'irradiance totale et l'irradiance spectrale dans l'ultraviolet développés à l'Université de Montréal. Tous deux sont basés sur la simulation de l'émergence, de la fragmentation et de l'érosion des taches solaires, qui permet d'obtenir une distribution de l'aire des taches sombres et des facules brillantes en fonction du temps. Ces deux composantes sont principalement responsables de la variation de l'irradiance sur l'échelle de temps de la décennie, qui peut être calculée en sommant leur émissivité à celle de la photosphère inactive. La version améliorée du modèle d'irradiance solaire spectrale MOCASSIM inclut une extension de son domaine spectral entre 150 et 400 nm ainsi que de son domaine temporel, débutant originalement en 1874 et couvrant maintenant la période débutant en 1610 jusqu'au présent. Cela permet de reconstruire le spectre ultraviolet durant le minimum de Maunder et de le comparer à celui du minimum de 2009. Les conclusions tirées de cette étude spécifient que l'émissivité dans l'ultraviolet était plus élevée en 2009 que durant le minimum de Maunder, que le niveau de base de la photosphère non magnétisée contribuait pour environ les deux tiers de cette différence et que les structures magnétiques restantes étaient responsables pour le tiers restant. Le modèle d'irradiance totale a vu son domaine temporel étendu sur la même période et une composante représentant le réseau magnétique de façon réaliste y a été ajoutée. Il a été démontré que les observations des 30 dernières années ne sont bien reproduites qu'en incluant la composante du Soleil non magnétisé variable à long terme. Le processus d'optimisation des paramètres libres du modèle a été effectué en minimisant le carré de la somme de l'écart journalier entre les résultats des calculs et les données observées. Les trois composites disponibles, soit celui du PMOD (Physikalisch Meteorologisches Observatorium Davos), d'ACRIM (ACtive Radiometer Irradiance Monitor) et du IRMB (Institut Royal Météorologique de Belgique), ne sont pas en accord entre eux, en particulier au niveau des minima du cycle d'activité, et le modèle permet seulement de reproduire celui du PMOD avec exactitude lorsque la composante variable à long terme est proportionnelle au flux radio à 10.7 cm. Toutefois, en utilisant des polynômes de Lagrange pour représenter la variation du Soleil inactif, l'accord est amélioré pour les trois composites durant les minima, bien que les relations entre le niveau minimal de l'irradiance et la longueur du cycle précédent varient d'un cas à l'autre. Les résultats obtenus avec le modèle d'irradiance spectrale ont été utilisés dans une étude d'intercomparaison de la réponse de la photochimie stratosphérique à différentes représentations du spectre solaire. Les simulations en mode transitoire d'une durée de 10 jours ont été effectuées avec un spectre solaire constant correspondant soit à une période d'activité minimale ou à une période d'activité maximale. Ceci a permis d'évaluer la réponse de la concentration d'ozone à la variabilité solaire au cours d'un cycle et la différence entre deux minima. En plus de ceux de MOCASSIM, les spectres produits par deux modèles ont été utilisés (NRLSSI et MGNM) ainsi que les données de SIM et SOLSTICE/SORCE. La variabilité spectrale de chacun a été extraite et multipliée à un spectre de base représentant le minimum d'activité afin de simuler le spectre au maximum d'activité. Cela a été effectué dans le but d'isoler l'effet de la variabilité seule et d'exclure celui de la valeur absolue du spectre. La variabilité spectrale d'amplitude relativement élevée des observations de SORCE n'a pas provoqué l'inversion de la réponse de l'ozone à hautes altitudes obtenues par d'autres études, ce qui peut être expliqué par la nature même du modèle utilisé ainsi que par sa limite supérieure en altitude. Finalement, la réponse de l'ozone semble être à peu près proportionnelle à la variabilité de l'intégrale du flux pour lambda<241 nm. La comparaison des concentrations d'ozone obtenues avec les spectres originaux au minimum d'activité démontre que leur différence est du même ordre de grandeur que la variabilité entre le minimum et le maximum d'un cycle typique. Le problème du choix de la reconstruction de l'irradiance à utiliser pour les simulations climatiques dans le passé demeure non résolu.

The accuracy of using the Ulysses result of the spatial invariance of the radial heliospheric field to compute the open solar flux

We survey observations of the radial magnetic field in the heliosphere as a function of position, sunspot number, and sunspot cycle phase. We show that most of the differences between pairs of simultaneous observations, normalized using the square of the heliocentric distance and averaged over solar rotations, are consistent with the kinematic "flux excess" effect whereby the radial component of the frozen-in heliospheric field is increased by longitudinal solar wind speed structure. In particular, the survey shows that, as expected, the flux excess effect at high latitudes is almost completely absent during sunspot minimum but is almost the same as within the streamer belt at sunspot maximum. We study the uncertainty inherent in the use of the Ulysses result that the radial field is independent of heliographic latitude in the computation of the total open solar flux: we show that after the kinematic correction for the excess flux effect has been made it causes errors that are smaller than 4.5%, with a most likely value of 2.5%. The importance of this result for understanding temporal evolution of the open solar flux is reviewed.

Role of coronal mass ejections in the heliospheric Hale cycle

The 11-year solar cycle variation in the heliospheric magnetic field strength can be explained by the temporary buildup of closed flux released by coronal mass ejections (CMEs). If this explanation is correct, and the total open magnetic flux is conserved, then the interplanetary-CME closed flux must eventually open via reconnection with open flux close to the Sun. In this case each CME will move the reconnected open flux by at least the CME footpoint separation distance. Since the polarity of CME footpoints tends to follow a pattern similar to the Hale cycle of sunspot polarity, repeated CME eruption and subsequent reconnection will naturally result in latitudinal transport of open solar flux. We demonstrate how this process can reverse the coronal and heliospheric fields, and we calculate that the amount of flux involved is sufficient to accomplish the reversal within the 11 years of the solar cycle.

Are cold winters in Europe associated with low solar activity?

Solar activity during the current sunspot minimum has fallen to levels unknown since the start of the 20th century. The Maunder minimum (about 1650–1700) was a prolonged episode of low solar activity which coincided with more severe winters in the United Kingdom and continental Europe. Motivated by recent relatively cold winters in the UK, we investigate the possible connection with solar activity. We identify regionally anomalous cold winters by detrending the Central England temperature (CET) record using reconstructions of the northern hemisphere mean temperature. We show that cold winter excursions from the hemispheric trend occur more commonly in the UK during low solar activity, consistent with the solar influence on the occurrence of persistent blocking events in the eastern Atlantic. We stress that this is a regional and seasonal effect relating to European winters and not a global effect. Average solar activity has declined rapidly since 1985 and cosmogenic isotopes suggest an 8% chance of a return to Maunder minimum conditions within the next 50 years (Lockwood 2010 Proc. R. Soc. A 466 303–29): the results presented here indicate that, despite hemispheric warming, the UK and Europe could experience more cold winters than during recent decades.

Parameter estimation based on stacked regression and evolutionary algorithms

A new parameter-estimation algorithm, which minimises the cross-validated prediction error for linear-in-the-parameter models, is proposed, based on stacked regression and an evolutionary algorithm. It is initially shown that cross-validation is very important for prediction in linear-in-the-parameter models using a criterion called the mean dispersion error (MDE). Stacked regression, which can be regarded as a sophisticated type of cross-validation, is then introduced based on an evolutionary algorithm, to produce a new parameter-estimation algorithm, which preserves the parsimony of a concise model structure that is determined using the forward orthogonal least-squares (OLS) algorithm. The PRESS prediction errors are used for cross-validation, and the sunspot and Canadian lynx time series are used to demonstrate the new algorithms.

How is open solar magnetic flux lost over the solar cycle?

The Sun's open magnetic field, magnetic flux dragged out into the heliosphere by the solar wind, varies by approximately a factor of 2 over the solar cycle. We consider the evolution of open solar flux in terms of a source and loss term. Open solar flux creation is likely to proceed at a rate dependent on the rate of photospheric flux emergence, which can be roughly parameterized by sunspot number or coronal mass ejection rate, when available. The open solar flux loss term is more difficult to relate to an observable parameter. The supersonic nature of the solar wind means open solar flux can only be removed by near-Sun magnetic reconnection between open solar magnetic field lines, be they open or closed heliospheric field lines. In this study we reconstruct open solar flux over the last three solar cycles and demonstrate that the loss term may be related to the degree to which the heliospheric current sheet (HCS) is warped, i.e., locally tilted from the solar rotation direction. This can account for both the large dip in open solar flux at the time of sunspot maximum as well as the asymmetry in open solar flux during the rising and declining phases of the solar cycle. The observed cycle-to-cycle variability is also well matched. Following Sheeley et al. (2001), we attribute modulation of open solar flux by the degree of warp of the HCS to the rate at which opposite polarity open solar flux is brought together by differential rotation.

A survey of gradual solar energetic particle events

We develop a database of 110 gradual solar energetic particle (SEP) events, over the period 1967–2006, providing estimates of event onset, duration, fluence, and peak flux for protons of energy E > 60 MeV. The database is established mainly from the energetic proton flux data distributed in the OMNI 2 data set; however, we also utilize the McMurdo neutron monitor and the energetic proton flux from GOES missions. To aid the development of the gradual SEP database, we establish a method with which the homogeneity of the energetic proton flux record is improved. A comparison between other SEP databases and the database developed here is presented which discusses the different algorithms used to define an event. Furthermore, we investigate the variation of gradual SEP occurrence and fluence with solar cycle phase, sunspot number (SSN), and interplanetary magnetic field intensity (Bmag) over solar cycles 20–23. We find that the occurrence and fluence of SEP events vary with the solar cycle phase. Correspondingly, we find a positive correlation between SEP occurrence and solar activity as determined by SSN and Bmag, while the mean fluence in individual events decreases with the same measures of solar activity. Therefore, although the number of events decreases when solar activity is low, the events that do occur at such times have higher fluence. Thus, large events such as the “Carrington flare” may be more likely at lower levels of solar activity. These results are discussed in the context of other similar investigations.

Discrete time representation of continuous time ARMA processes

This paper derives exact discrete time representations for data generated by a continuous time autoregressive moving average (ARMA) system with mixed stock and flow data. The representations for systems comprised entirely of stocks or of flows are also given. In each case the discrete time representations are shown to be of ARMA form, the orders depending on those of the continuous time system. Three examples and applications are also provided, two of which concern the stationary ARMA(2, 1) model with stock variables (with applications to sunspot data and a short-term interest rate) and one concerning the nonstationary ARMA(2, 1) model with a flow variable (with an application to U.S. nondurable consumers’ expenditure). In all three examples the presence of an MA(1) component in the continuous time system has a dramatic impact on eradicating unaccounted-for serial correlation that is present in the discrete time version of the ARMA(2, 0) specification, even though the form of the discrete time model is ARMA(2, 1) for both models.

Predicting space climate change

The recent decline in the open magnetic flux of the Sun heralds the end of the Grand Solar Maximum (GSM) that has persisted throughout the space age, during which the largest‐fluence Solar Energetic Particle (SEP) events have been rare and Galactic Cosmic Ray (GCR) fluxes have been relatively low. In the absence of a predictive model of the solar dynamo, we here make analogue forecasts by studying past variations of solar activity in order to evaluate how long‐term change in space climate may influence the hazardous energetic particle environment of the Earth in the future. We predict the probable future variations in GCR flux, near‐Earth interplanetary magnetic field (IMF), sunspot number, and the probability of large SEP events, all deduced from cosmogenic isotope abundance changes following 24 GSMs in a 9300‐year record.

The solar influence on the probability of relatively cold UK winters in the future

Recent research has suggested that relatively cold UK winters are more common when solar activity is low (Lockwood et al 2010 Environ. Res. Lett. 5 024001). Solar activity during the current sunspot minimum has fallen to levels unknown since the start of the 20th century (Lockwood 2010 Proc. R. Soc. A 466 303–29) and records of past solar variations inferred from cosmogenic isotopes (Abreu et al 2008 Geophys. Res. Lett. 35 L20109) and geomagnetic activity data (Lockwood et al 2009 Astrophys. J. 700 937–44) suggest that the current grand solar maximum is coming to an end and hence that solar activity can be expected to continue to decline. Combining cosmogenic isotope data with the long record of temperatures measured in central England, we estimate how solar change could influence the probability in the future of further UK winters that are cold, relative to the hemispheric mean temperature, if all other factors remain constant. Global warming is taken into account only through the detrending using mean hemispheric temperatures. We show that some predictive skill may be obtained by including the solar effect.

Solar cycle 24: implications for energetic particles and long-term space climate change

The recent solar minimum was the longest and deepest of the space age, with the lowest average sunspot numbers for nearly a century. The Sun appears to be exiting a grand solar maximum (GSM) of activity which has persisted throughout the space age, and is headed into a significantly quieter period. Indeed, initial observations of solar cycle 24 (SC24) continue to show a relatively low heliospheric magnetic field strength and sunspot number (R), despite the average latitude of sunspots and the inclination of the heliospheric current sheet showing the rise to solar maximum is well underway. We extrapolate the available SC24 observations forward in time by assuming R will continue to follow a similar form to previous cycles, despite the end of the GSM, and predict a very weak cycle 24, with R peaking at ∼65–75 around the middle/end of 2012. Similarly, we estimate the heliospheric magnetic field strength will peak around 6nT. We estimate that average galactic cosmic ray fluxes above 1GV rigidity will be ∼10% higher in SC24 than SC23 and that the probability of a large SEP event during this cycle is 0.8, compared to 0.5 for SC23. Comparison of the SC24 R estimates with previous ends of GSMs inferred from 9300 years of cosmogenic isotope data places the current evolution of the Sun and heliosphere in the lowest 5% of cases, suggesting Maunder Minimum conditions are likely within the next 40 years.