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Analyse solarer Spikes mittels symbolischer Dynamik

Eine solare Eruption ist die Folge einer raschen Freisetzung von Energie, die in koronalen Magnetfeldern gespeichert ist. Das Verständnis der Flare-Erscheinung erfordert die Identifikation und Modellierung einer Vielzahl physikalischer Vorgänge. Bei der impulsiven Phase eines Flares erfolgt die Energiefreisetzung durch Fragmentierung in eine Vielzahl von Unterstrukturen (Spikes), die fast gleichzeitig ausgelöst werden. Daher sollten die Spikes einen Einblick in die Natur der impulsiven Phase gestatten. Unter Verwendung von Größen der symbolischen Dynamik, wie Transinformation, Shannon-Information und algorithmischer Komplexität, haben wir nach den Beziehungen der Spikes, die während der impulsiven Flare-Phase bei verschiedenen Frequenzen gleichzeitig emittiert werden, gesucht. Dieser Ansatz ist zur Beschreibung so komplexer Raum-Zeit-Muster geeignet, wohingegen die Schätzung der bekannten fraktalen Dimensionen nur auf niedrig-dimensionale Systeme angewandt werden kann.  

 
Figure 1: Dynamic spectrograms of millisecond spikes. The data was recorded by the frequency-agile solar radio spectrometer in ETH Zürich on 6 June, 1983. Low flux: white. High flux: black. The resolution in frequency is 1 MHz and in time 0.2 sec.

In Abhängigkeit von vorausgesetzten Energiefreisetzungs- und Emissionsvorgängen werden zwei Typen von Fragmentierung diskutiert: Das Szenarium einer globalen Organisation (die Spikes werden in einer Kette ähnlicher Ereignisse durch dasselbe System emittiert) oder das einer lokalen Organisation (viele Systeme werden durch ein Anfangsereignis lawinen-artig ausgelöst).

Unter Verwendung der Transinformation haben wir ein Gedächtnis über Frequenz-Intervalle in einem Bereich von 20 bis 40 MHz (Fig. 2) gefunden, was räumliche Korrelationen anzeigt, da Radiostrahlung verschiedener Frequenzen in verschiedenen Höhen in der Atmosphäre der Sonne emittiert werden.  

 
Figure 2: Der Mittelwert für die Transinformation, wie er für die Symbolketten der in Fig. 1 dargestellten irregulären Spikes berechnet wurde. Es sind zwei breite Bänder zu sehen: Das erste bei etwa 5 MHz gibt die Bandbreite der Spikes wieder und das zweite, bei ca. 30 MHz, bringt eine räumliche Korrelation zwischen verschiedenen Quellen der Energiefreisetzung zum Ausdruck.

Die Shannon-Information und die algorithmische Komplexität beziehen sich auf den gesamten Frequenz-Bereich, d.h. das globale Emissionsgebiet. Eine globale Organisation wird durch die quasi-periodische Änderung dieser beiden Größen im Bereich von 2 - 8 Sekunden sichtbar (Fig. 3). Unsere Untersuchung von vier Spike Ereignissen ist mit der Aussage verträglich, daß die Struktur in der Frequenz nicht von einem stochastischen Prozeß herrührt, sondern von einem Vorgang, bei dem die Spikes an benachbarten Orten gleichzeitig durch eine gemeinsame Anregung ausgelöst werden.

 
Figure 3: Dargestellt ist die algorithmische Komplexität, die aus den Symbolketten der in Fig. 1 gezeigten Radiospektrum berechnet wurde.