Evolución Temporal, Caracterización y Asimetría Norte-Sur de la Actividad Solar mediante Registros del Observatorio del Ebro sobre Grupos de Manchas y Playas Solares durante 1910-1937

Abstract

Els butlletins d'heliofísica publicats anualment per l'Observatori de l'Ebre en el període 1910—1937 (ambdós inclusivament) han estat digitalitzats recentment mitjançant l'ús de tecnologia de reconeixement òptic de caràcters amb l’objectiu d'analitzar les dades computacionalment. Això ha permès estudiar simultàniament alguns aspectes de l'activitat solar en termes de dues estructures solars diferents situades a diferents capes de l'atmosfera solar: els grups de taques (Fotosfera) i els grups de platges solars (Cromosfera). La Tesi es compon de tres temes o blocs principals. El primer és l’estudi de l’evolució en el temps de la taxa d’ocurrència diària (TOD) i distribució percentual dels grups de taques i platges solars classificats segons les diferents classes morfològiques i segons quatre intervals d’àrees. Per a cada estructura solar, també s’ha analitzat l’evolució en el temps de l’asimetria nord-sud (N-S) derivada del nombre total d’ocurrències diàries anuals de cada morfologia i interval d’àrea. Durant tot l'interval d'estudi, s'ha observat que els grups de taques i platges solars més freqüents són els més petits. De la mateixa manera, l'activitat solar pel que fa el nombre total d'ocurrències diàries sembla, de mitjana, un 23% més elevada a la Cromosfera. Pel que fa l'asimetria N-S, s'ha observat que l'hemisferi solar nord és dominant respecte l'hemisferi solar sud durant intervals de temps més llargs i també presenta nivells d'asimetria més grans. D’altra banda, l'evolució temporal de l'índex normalitzat d'asimetria nord-sud (NNSAI) derivat del nombre total d'ocurrències diàries no és exactament igual en ambdues estructures, ja que els grups de platges presenten valors de l'índex més baixos al llarg de tot l’interval de temps considerat. No obstant això, els NNSAI associats a cada estructura segueixen aproximadament el mateix comportament independentment de la classe morfològica considerada, encara que mostren una subtil dependència amb l'àrea, ja que els grups més grans presenten una asimetria N-S més elevada. El segon bloc de la Tesi tracta l'evolució morfològica dels grups de taques i platges solars al llarg de les seves vides mitjançant un model de cadenes de Màrkov de primer ordre. L'ús d'aquest model ha permès estimar i realitzar prediccions de diverses propietats que presenten aquestes estructures, com la probabilitat de mantenir o canviar la seva morfologia durant dues observacions consecutives, l'expectativa d'evolucionar cap a una determinada classe morfològica en algun moment de les seves vides, el temps que romanen a les diferents classes morfològiques a les que evolucionen al llarg de les seves vides, la distribució percentual de grups que moren o s'oculten, i la TOD associada a cada classe morfològica. Els resultats del model s'han complementat amb l'estudi de la distribució percentual de les diferents classes morfològiques que els grups de les dues estructures solars presenten al néixer i morir. Finalment, s'estudia l'homogeneïtat temporal i espacial de les dades, concloent que ambdues estructures evolucionen de manera similar en ambdós hemisferis solars, però presenten petites desviacions en totes les propietats en funció del cicle solar o fase del cicle solar que es consideri, arribant a afectar alguns aspectes de la seva evolució morfològica. El tercer i últim bloc de la Tesi se centra en l'estudi del comportament cíclic detectat a l'asimetria N-S de la suma mensual d'àrees i ocurrències diàries de grups de taques i platges solars enregistrats a l'Observatori de l'Ebre. Analitzant l'evolució temporal dels índexs d'asimetria N-S absoluts i normalitzats a l'interval 1910—1937, s'ha descobert un comportament cíclic en què l'hemisferi solar dominant canvia sistemàticament amb un període global de 7,9±0,2 anys. Amb l'objectiu de verificar i quantificar amb precisió aquesta periodicitat, i estudiar-ne la seva prevalença en el temps, s'ha emprat la sèrie sobre grups de taques solars del RGO-USAF/NOAA (1874—2016). Posteriorment, s'ha examinat cada sèrie temporal de l'índex d'asimetria absolut mitjançant diferents tècniques com l'anàlisi de l'espectre de potència, el mètode CEEMDAN (Complete Ensemble Empirical Mode Decomposition With Adaptive Noise) o la transformada wavelet de Morlet. La combinació de resultats revela que l'asimetria N-S presenta un comportament cíclic en diferents escales temporals, que consisteix en dues periodicitats aproximadament estables de 1,47±0,02 anys i 3,83±0,06 anys, que coexisteixen amb tres components discontínues amb períodes variables de 5,4±0,2 anys, 9,0±0,2 anys, i 12,7±0,3 anys. D'altra banda, durant 1910—1937, només s'observen clarament dues senyals periòdiques de 4,10±0,04 anys i 7,57±0,03 anys. De la mateixa manera, les dues senyals presenten períodes lleugerament més llargs a l'asimetria N-S associada als grups de platges en comparació amb l'associada als grups de taques.

Los boletines de heliofísica publicados anualmente por el Observatorio del Ebro en el periodo 1910—1937 (ambos inclusive) han sido recientemente digitalizados mediante el uso de tecnología de reconocimiento óptico de caracteres con el fin de analizar los datos computacionalmente. Esto ha permitido estudiar simultáneamente algunos aspectos de la actividad solar en términos de dos estructuras solares distintas situadas en dos capas diferentes de la atmosfera solar: los grupos de manchas (Fotosfera) y los grupos de playas solares (Cromosfera). La Tesis se compone de tres temas o bloques principales. El primero es el estudio de la evolución en el tiempo de la tasa de ocurrencia diaria (TOD) y distribución porcentual de los grupos de manchas y playas solares clasificados según las distintas clases morfológicas y según cuatro intervalos de áreas. Para cada estructura solar, también se ha analizado la evolución en el tiempo de la asimetría norte-sur (N-S) derivada del número total de ocurrencias diarias anuales de cada morfología y extensión. Se ha observado que, durante todo el intervalo de estudio, los grupos de manchas y playas solares más frecuentes son los más pequeños. Así mismo, la actividad solar en cuanto al número total de ocurrencias diarias parece ser, en promedio, un 23% más elevada en la Cromosfera. En cuanto a la asimetría N-S, se ha observado que el hemisferio solar norte es dominante respecto al hemisferio solar sur durante periodos de tiempo más largos y con mayores niveles de asimetría. Así mismo, la evolución temporal del índice normalizado de asimetría norte-sur (NNSAI) derivado del número total de ocurrencias diarias no es exactamente igual en ambas estructuras, ya que los grupos de playas presentan valores del índice más bajos a lo largo del todo el intervalo de tiempo considerado. Sin embargo, los NNSAI asociados a cada estructura siguen aproximadamente el mismo comportamiento independientemente de la clase morfológica considerada, aunque muestran una sutil dependencia con el área, puesto que los grupos más extensos presentan una mayor asimetría N-S. El segundo bloque de la Tesis trata la evolución morfológica de los grupos de manchas y playas solares a lo largo de sus vidas mediante un modelo de cadenas de Márkov de primer orden. El uso de este modelo ha permitido estimar y realizar predicciones de diversas propiedades que presentan estas estructuras, como la probabilidad de mantener o cambiar su morfología durante dos observaciones consecutivas, la expectativa de evolucionar hacia una determinada clase morfológica en algún momento de sus vidas, el tiempo que permanecen en cada clase morfológica a las que evolucionan a lo largo de sus vidas, la distribución porcentual de grupos que mueren o se ocultan, y TOD asociada a cada clase morfológica. Los resultados del modelo se han complementado con el estudio de la distribución porcentual de las distintas clases morfológicas que los grupos de ambas estructuras solares presentan al nacer y al morir. Finalmente, se estudia la homogeneidad temporal y espacial de los datos, concluyendo que ambas estructuras solares evolucionan de manera similar en ambos hemisferios solares, pero en función del ciclo solar o fase del ciclo solar que se considere, presentan pequeñas desviaciones en todas las propiedades, llegando a afectar a algunos aspectos de su evolución morfológica. El tercer y último bloque de la Tesis se centra en el estudio del comportamiento cíclico detectado en la asimetría N-S de la suma mensual de áreas y ocurrencias diarias de grupos de manchas y playas solares registrados en el Observatorio del Ebro. Analizando la evolución temporal de los índices de asimetría N-S absolutos y normalizados en el intervalo 1910—1937, se ha descubierto un comportamiento cíclico en el que el hemisferio solar dominante cambia sistemáticamente con un periodo global de 7,9±0,2 años. Con el objetivo de verificar y cuantificar con precisión esta periodicidad, y estudiar su prevalencia en el tiempo, se ha empleado la serie sobre grupos de manchas solares del RGO-USAF/NOAA (1874—2016). Posteriormente, se ha examinado cada serie temporal del índice de asimetría absoluto mediante diferentes técnicas como el análisis del espectro de potencia, el método CEEMDAN (Complete Ensemble Empirical Mode Decomposition With Adaptive Noise) o la transformada wavelet de Morlet. La combinación de resultados revela que la asimetría N-S presenta un comportamiento cíclico en diferentes escalas temporales, que consiste en dos periodicidades aproximadamente estables de 1,47±0,02 años y 3,83±0,06 años, que coexisten con otras tres componentes discontinuas con períodos variables de 5,4±0,2 años, 9,0±0,2 años, y 12,7±0,3 años. Por otro lado, durante 1910—1937, solo se observan claramente dos señales periódicas de 4,10±0,04 años y 7,57±0,03 años. Así mismo, ambas señales poseen períodos ligeramente más largos en la asimetría N-S asociada a grupos de playas en comparación con la asociada a grupos de manchas.

The heliophysics catalogues published annually by the Ebro Observatory in the period 1910—1937 (both inclusive) have recently been digitized by using optical character recognition technology in order to analyze the data computationally. This has made it possible to study simultaneously some aspects of solar activity in terms of two different solar structures located in two different layers of the solar atmosphere: the sunspot groups (Photosphere) and the solar plage groups (Chromosphere). The PhD Thesis is made up of three main topics. The first one is the evolution over time of the occurrence daily rate (TOD) and the distribution in percentage of the sunspot and solar plage groups classified according to the different morphological classes, and also according to four intervals of areas. For each solar structure, it has been analyzed the evolution over time of the north-south (N-S) asymmetry derived from the total annual number of daily occurrences of each morphology and area interval. In the period under study, it has been observed that the most frequent sunspot and solar plage groups are the smallest ones. Likewise, the solar activity in terms of the total number of daily occurrences appears to be, on average, 23% higher in the Chromosphere. Regarding the N-S asymmetry, it has been observed that the northern solar hemisphere is dominant over the southern solar hemisphere for longer periods of time, and also shows higher levels of asymmetry. Moreover, the temporal evolution of the normalized north-south asymmetry index (NNSAI) derived from the total number of daily occurrences is not exactly the same in both structures, since solar plage groups present lower index values throughout the entire period. However, the NNSAI associated with each solar structure follows approximately the same behavior regardless of the morphological class, although they show a subtle dependence on the area, since the largest groups present higher N-S asymmetry. The second topic of the Thesis deals with the morphological evolution of sunspot and solar plage groups throughout their lives by using a first-order Markov chain model. This model allows to estimate and make predictions of several properties of these solar structures, such as the probability of remaining or changing their morphology during two consecutive observations, the expectation of evolving towards a certain morphological class at some point in their lives, the time that they remain in each morphological class to which they evolve throughout their lives, the percentage of groups that die or end up on the far side of the Sun, and the TOD associated with each morphological class. The results of the model have been complemented with distribution in percentage of the different morphological classes that both solar structures groups present at birth and at death. Finally, the temporal and spatial homogeneity of the data is studied, concluding that both solar structures evolve in a similar way in both solar hemispheres, but they present small deviations in all properties depending on the solar cycle or phase of the solar cycle considered, affecting some aspects of its morphological evolution. The third and last topic of the Thesis focuses on the cyclic behavior detected in the N-S asymmetry of the monthly sum of areas and daily occurrences of sunspot and solar plage groups recorded at the Ebro Observatory. Analyzing the temporal evolution of the absolute and normalized N-S asymmetry indices during 1910—1937, a cyclic behavior in which the dominant solar hemisphere changes systematically with a global period of 7.9±0.2 yr. has been discovered. In order to accurately verify and quantify this periodicity, and study its prevalence over time, the RGO-USAF/NOAA sunspot group series (1874—2016) has been used. Subsequently, each time series of the absolute asymmetry index has been examined by using different techniques such as power spectrum analysis, the CEEMDAN method (Complete Ensemble Empirical Mode Decomposition With Adaptive Noise) or the Morlet wavelet transform. The combined results reveals that the N-S asymmetry presents a cyclic behavior on different time scales, consisting in two quite stable periodicities of 1.47±0.02 yr. and 3.83±0.06 yr., which co-exist with another three discontinuous components with more marked time-varying periods of 5.4±0.2 yr., 9.0±0.2 yr., and 12.7±0.3 yr. Moreover, during 1910—1937, only two periodic signals of 4.10±0.04 yr. and 7.57±0.03 yr. can be clearly observed. Finally, both signals present slightly longer periods in the N-S asymmetry associated with solar plage groups compared to that associated with sunspot groups.