Zeitreihenanalyse astrophysikalischer Aktivitätsphänomene
Udo Schwarz,
Nichtlineare Dynamik/Theoretische Physik
31. Juli 1994
In der Dissertation werden einige Methoden der nichtlinearen
Dynamik zur Zeitreihenanalyse bei der Untersuchung
astrophysikalischer Aktivitätsphänomene eingesetzt.
Die angewandten Methoden basieren einerseits auf der
Phasenraum-Rekonstruktion (lokale Voraussage, Rekurrenz-Darstellung) und
andererseits auf Konstruktion von Symbolketten (Transinformation,
algorithmische Komplexität, Shannon-Information).
Außerdem werden die Spektral- und Wavelet-Analyse
angewandt.
Zu den untersuchten Objekten zählen eine Zwergnova, die Sonne und die
obere Erdionosphäre.
Die analysierten Zeitreihen sind die Lichtkurve der Zwergnova SS Cygni,
die zerfallskorrigierte Häufigkeit von Radiokarbon in dendrologisch
datierten Baumringen, Radiostrahlungsflüsse der Sonne sowie die
Elektronendichte und -temperatur des ionosphärischen Plasmas.
Die hier untersuchten Zeitreihen sind kurz (1000 Datenpunkte)
oder mit einem starken Meßfehler behaftet.
Im einzelnen haben wir folgende Resultate erhalten:
Für die SS Cygni-Lichtkurve ist es nicht möglich, eine niedrige fraktale
Dimension mit dem Grassberger-Procaccia-Algorithmus zu schätzen,
obgleich eine lange Datenreihe (13000 Datenpunkte) und im Mittel 50 Punkte
pro Zyklus vorliegen.
Mit der Methode der lokalen Voraussage konnten wir zeigen, daß
die Dominanz des Meßrauschens bei der Mehrzahl der Datenpunkte (75 %)
die Ursache dafür ist.
Die Phasenraum-Rekonstruktion, die Rekurrenz-Darstellung
und das Voraussagefehlerverhalten lassen eine inhomogene
Phasenraumstruktur erkennen.
Das lokale Voraussagefehlerverhalten ist geeignet, die inhomogene
Phasenraumstruktur zu quantifizieren.
Die Vorhersagbarkeit läßt sich auf physikalisch ausgezeichnete
Zustände der Zwergnova beziehen.
Die Ruhephase (Meßrauschen) zeigt ein für weißes Rauschen typisches
Verhalten hinsichtlich des Vorhersagefehlers.
Die Ausbruchsphase ist durch ein Vorhersagefehlerverhalten beschreibbar,
das für deterministische Prozesse charakteristisch ist.
Mit der von uns eingeführten Rekurrenz-Darstellung für
die C14-Produktion ist es uns gelungen, verschiedene solare
Aktivitätsphasen zu unterscheiden.
Neben den solaren Aktivitätsminima, die sich
herausheben, ist die Mittelalterliche Warmzeit durch ein
charakteristisches Muster in der Rekurrenz-Darstellung gekennzeichnet.
Dieses charakteristische Muster ähnelt jenem Rekurrenz-Muster,
das die letzten 200 Jahre beschreibt.
Die Rekurrenz-Rate gestattet eine quantitative Identifikation
dieser Muster.
Mit anderen Methoden konnten wir die verschiedenen typischen Phasen
für die C14-Produktion nicht unterscheiden.
Die Rekurrenz-Darstellung eignet sich sowohl dazu, die globale Struktur
der Dynamik wiederzugeben, als auch zur Analyse spezieller
Epochen einer Zeitreihe.
Zur Beschreibung des Ordnungsgrades irregulärer Spikes in dynamischen
Radiospektren haben wir Methoden der symbolischen Dynamik
angewendet.
Wir haben gezeigt, da{\ss} die irregulären Spikes bezüglich ihres
räumlich-zeitlichen Auftretens Züge von Ordnung widerspiegeln.
Mittels der algorithmischen Komplexität und der
Shannon-Information konnte nachgewiesen werden, daß der zeitliche
Organisationsgrad in der impulsiven Phase erhöht und ein
periodisches Verhalten auf einer Zeitskala von einigen Sekunden
charakteristisch ist.
Darüber hinaus konnten wir zeigen, daß die Transinformation
geeignet ist, die Korrelation der einzelnen Spike-Ereignisse
nachzuweisen.
Der mittlere Radiofrequenzabstand beträgt etwa 60 MHz,
was einer räumlichen Distanz der Radioquellen von
ca. 1000 km entspricht.
Wir konnten am Beispiel der irregulären solaren Spikes die Nützlichkeit
von Maßen zur Beschreibung von Symbolketten - die algorithmische
Komplexität, die Shannon-Information und die
Transinformation - für die Klassifikation raum-zeitlicher Muster
aufzeigen.
Die mit der Struktur-Funktion geschätzten Skalenexponenten für den
Zeitverlauf von Radioflüssen während solarer Burstphasen
liegen bei dem für eine
Brownsche Bewegung charakteristischen Wert von 0.5.
Zur Berechnung charakteristischer Zeitskalen, die bei der zeitlichen
Entwicklung des Radioflusses von Mikrowellen-Bursts auftreten,
haben wir die Wavelet-Analyse eingesetzt.
Die aus der Wavelet-Analyse resultierenden Radiofluß-Skalogramme für
die Burstphase ähneln sowohl denen der eindimensionalen fraktionalen
Brownschen Bewegung als auch denen, die für die Zeitentwicklung
physikalischer Größen bei turbulenten Regimes charakteristisch sind.
Hingegen sind die Skalogramme für die ruhige Sonne und den
bloßen Himmel mit dem Skalogramm eines Gaußschen Zufallsprozesses
vergleichbar.
Analog zu dem in der Ionosphäre typischen Auftreten von
intensiven Elektronendichte- und Elektronentemperaturirregularitäten
mittlerer Skalenlänge (30-1000 km)
findet man auch in der Plasmasphäre (500-2500 km) solche Ereignisse.
Allerdings zeigt sich eine Sturmzeitabhängigkeit der
angeregten Wellenmoden in der Intensität- und
Frequenzcharakteristik nur unterhalb 2000 km.
Wir haben eine Tageszeit- und Höhenabhängigkeit der
Wellenspektren gefunden.
Das ist ein Hinweis darauf, daß sich die sturmbedingten Störungen
auch weit oberhalb der Ionosphäre ausbreiten.
Oberhalb einer Höhe von 2000 km findet man, unabhängig von
Sturmbedingungen, unterschiedliche Anregungen von Wellenmoden.
Die gefundenen Merkmale von kleinskaligen Elektronendichteirregularitäten
in mittleren bis hohen Breiten der oberen Ionosphäre und
unteren Plasmasphäre ähneln denen, die man für die
Ionosphäre kennt.
Die klassischen Verfahren der Zeitreihenanalyse (Autokorrelationsfunktion,
Spektren, lineare stochastische Modelle) stellen einen
grundlegenden Wert dar.
In der Arbeit wird exemplarisch gezeigt, wie mit den Methoden der
nichtlinearen Dynamik (Phasenraum-Rekonstruktion, lokale Voraussage,
Rekurrenz-Darstellung, Shannon-Information, algorithmische Komplexität,
Transinformation, Struktur-Funktion, Wavelet-Analyse)
Zeitreihenmerkmale gefunden werden können, die über jene
hinausgehen, die mit den klassischen Methoden detektiert werden können.
Nach unserer Erfahrung gibt es nicht die Methode zur Analyse
von Zeitreihen.
Stattdessen ist eine möglichst vielseitige und kritische
Anwendung sowohl der klassischen Analysemethoden als auch von Methoden der
nichtlinearen Dynamik auf die Meßdaten selbst als auch auf
zweckmäßig ausgewählte Ersatzdaten (Manipulation an den
Originaldaten, Realisierung typischer Modelle) erforderlich, um mehr
oder weniger verläßliche Aussagen über die Dynamik der Prozesse machen
zu können, die den betrachteten Zeitreihen zugrunde liegen.
Die Methoden können sich daher gegenseitig nicht ersetzen, jedoch gut
ergänzen.