تحلیل آنتروپی چندمقیاسه و همبستگی بلندبرد چرخه‌های مختلف لکه‌های خورشیدی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

مرکز تحقیقات نجوم و اخترفیزیک مراغه (ریام)، دانشگاه مراغه، مراغه، ایران

10.22059/jesphys.2025.398875.1007710

چکیده

تحولات و رفتار پویای خورشید به‌عنوان نزدیک‌ترین ستاره به زمین حائز اهمیت است. لکه‌(لک)های شیدسپهری به‌عنوان معیاری از فعالیت خورشید هستند که به مکان تجمع‌گاه‌های میدان‌های مغناطیسی خورشید نیز شناخته می‌شوند. داده‌های مورداستفاده از ابتدای چرخه‌ی 15 تا انتهای چرخه‌ی 24 فعالیت خورشیدی از پایگاه داده‌ای SILSO واقع در رصدخانه‌ی سلطنتی بلژیک جمع‌آوری گردیده‌اند. در این مقاله، ما به بررسی پیچیدگی سری زمانی چرخه‌های مختلف لکه‌های خورشیدی در چارچوب آنتروپی و و تحلیل همبستگی بلندبرد آن‌ها مبتنی بر تحلیل محدوده‌ی بازمقیاس‌گذاری‌شده (تحلیل R/S) می‌پردازیم. ابتدا، با اِعمال رویکرد آنتروپی چندمقیاسه روی سری زمانی چرخه‌های مختلف لکه‌های خورشید، این سامانه‌ی پیچیده را در ضریب‌مقیاس‌های τ گوناگون مورد بررسی قرار می‌دهیم. نتایج سطح زیر نمودار آنتروپی‌های چند مقیاسه نشان دادند که میزان این نوع آنتروپی در چرخه‌ی 24 و چرخه‌ی 20 به‌ترتیب کمترین و بیشترین مقدار را به خود اختصاص می‌دهد که به‌ترتیب نشان‌دهنده‌ی میزان پیچیدگی کمتر و بیشتر این چرخه‌ها است. همچنین، با استفاده از نمای هرست به‌دست‌آمده از اِعمال محدوده‌ی بازمقیاس‌گذاری‌شده روی سری زمانی لکه‌های چرخه‌ها که همگی در بازه‌ی 0/81 تا 0/86 قرار دارند دریافتیم که همه‌ی چرخه‌ها دارای همبستگی بلندبرد هستند. ما در این مقاله، نشان دادیم که در بین چرخه‌ها، چرخه‌ی 20 دارای بیشترین حافظه‌ی بلندبرد در میان دیگر چرخه‌ها است. در نهایت، دریافتیم که با برازش تابع نمایی-توانی به‌صورت aτ^b exp(cτ) به میانگین آنتروپی‌های چندمقیاسه که هم درای جمله‌ی توانی افزایشی و هم دارای جمله‌ی نمایی کاهشی است می‌توان پایداری سامانه را بعد از عبور از ضریب مقیاس‌های گذار توضیح داد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Multiscale entropy analysis and long-range correlation of different sunspot cycles

نویسنده [English]

  • Mohsen Javaherian
Research Institute for Astronomy and Astrophysics of Maragha (RIAAM), University of Maragheh, Marargheh, Iran
چکیده [English]

The sunspot system represents a quintessential example of astrophysical complexity, where nonlinear interactions within the solar dynamo generate emergent patterns across multiple spatiotemporal scales. Our investigation of ten solar cycles (15-24) through the lens of multiscale entropy (MSE) analysis reveals profound insights into this complex system. We collected sunspot data (the number of daily sunspots and daily standard deviation of sunspot counting) from the Royal Observatory of Belgium's SILSO database, and decomposed the full time series into individual cycles. Then, we applied MSE approach to time series of individual cycles of sunspots. MSE analysis has two main steps: 1- coarse-graining the time series, and 2- calculating sample entropy for each coarse-grained series. The MSEs of cycles are computed up to scale factor τ = 20 and tolerance r = 0.15 – parameters carefully chosen to capture how information complexity evolves under progressive coarse-graining procedure. This approach is particularly suited to non-stationary systems where traditional entropy measures fail, as it quantifies how structural regularity changes when observed at different temporal resolutions.



For studying the long-range correlated behavior of cycles, we employed rescaled range (R/S) analysis. It calculates the Hurst exponent (H), which characterizes the system's fractal geometry and persistence (0.5<H<1) or anti-persistence (H < 0.5). Using this approach, obtained Hurst exponents ranged in 0.81-0.86 across all different cycles, providing robust mathematical evidence of persistent long-range memory. This persistent behavior which is valid for Hurst exponents ranged in (0.5,1) signifies fractal organization where correlations follow a power-law decay. Such scaling behavior implies that sunspot dynamics exhibit 1) statistical self-similarity across observational timescales, and 2) information encoding where subsystem behavior reflects global organization. These characteristics align precisely with self-organized criticality (SOC) – a universal mechanism where driven-dissipative systems spontaneously evolve toward critical states characterized by scale-invariant fluctuations. So, within this framework, it is revealed that the different cycles of solar activity have long-term memory in their time series. Since the sunspots has the magnetic origin, we can say that the solar magnetic field operates near a critical threshold, enabling energy release through avalanches of magnetic reconnection events.



Furthermore, it was discovered that neither mean daily sunspot number nor mean standard deviation of daily sunspot number have no meaningful relation with MSE-derived complexity. Quantifying complexity through the area under MSE curves revealed Cycle 20 as exhibiting peak complexity; while Cycle 24 showed minimal complexity. Using proposed methods, we found that among all cycles of solar activity with long-range correlated behaviors, Cycles 20 and 24 has the maximum and minimum long-range memory in their time series, respectively. The power-law exponential function as f(τ)= aτ^b exp(cτ) is fitted to ensemble-averaged entropy profiles. The exponential term induces an overall decreasing trend, yet its form creates a dynamic equilibrium between growth and decay up to scale factor τ=20. This functional behavior captures an initial growth phase followed by saturation, potentially indicating system stability. Crucially, it highlights that while complexity evolves differently across scales in various systems, it is universally moderated by a limiting factor.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Multiscale entropy
  • solar activity cycle
  • sunspots
  • long-range correlation