[論文レビュー] A closure model with plumes II. Application to the stochastic excitation of stellar p modes

K. Belkacem, R. Samadi+3 more|ArXiv.org|Jul 25, 2006

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 25被引用数 36

ひとこと要約

本稿は、対流プラウムを含む二点相関関数への閉じ込めモデル（CMP）の拡張により、太陽のpモードの確率的励起の理論的モデルを改善した。これにより、乱流レイノルズ応力の記述が向上した。精緻化されたモデルは、2.5–4 mHz範囲における理論的振幅とGOLF観測値との乖離を顕著に低減したが、低周波数域ではわずかな過大評価が残っており、エントロピーフラクチュエーションのモデル化の改善が求められ、上昇流と下降流の非対称性が励起に与える影響が極めて重要であることが示された。

ABSTRACT

Our goal is to improve the theoretical modelling of stochastic excitation of p modes by turbulent convection. With the help of the closure model with plume (CMP) developed in a companion paper, we refine the theoretical description of the excitation by the turbulent Reynolds stress term. The CMP is generalized for two-point correlation products so as to apply it to the formalism developed by Samadi & Goupil (2001). The excitation source terms are then computed with this improvement, and a comparison with solar data from the GOLF instrument is performed. The present model provides a significant improvement when comparing absolute values of theoretical ampplitudes with observational data. It gives rise to a frequency dependence of the power supplied to solar p modes, which agrees with GOLF observations. It is shown that the asymmetry of the turbulent convection zone (up- and downflows) plays a major role in the excitation processes. Despite an increase in the Reynolds stress term contribution due to our improved description, an additional source of excitation, identified as the entropy source term, is still necessary for reproducing the observational data. Theoretical excitation rates in the frequency range [2.5 mHz, 4 mHz] now are in agreement with the observational data from the GOLF instrument. However, at lower frequencies, it exhibits small discrepancies at the maximum level of a few per cent. Improvements are likely to come from a better physical description of the excitation by entropy fluctuations in the superadiabatic zone.

研究の動機と目的

• 太陽型星における乱流対流によるpモード励起率の長年の低評価を是正すること。
• 支配的励起源たる乱流レイノルズ応力項の理論的記述を、物理的根拠に基づいた閉じ込めモデルで精緻化すること。
• 対流プラウムを含む閉じ込めモデル（CMP）を二点相関関数に一般化し、Samadi & Goupil (2001) の形式論に適用すること。
• 上昇流と下降流の非対称性が励起率に与える影響を評価し、GOLF観測と比較すること。
• 観測データと一致させるために、追加の励起源、特にエントロピーフラクチュエーション項の必要性を調査すること。

提案手法

• 論文Iの一点CMPを二点相関関数に拡張し、確率的励起形式におけるレイノルズ応力励起源項をモデル化する。
• 一般化されたCMPを、Samadi & Goupil (2001) の形式論に適用し、上昇流と下降流にそれぞれ周波数依存係数（χₖ）を組み込んだpモードへのエネルギー供給を計算する。
• 二スケール質量フラックスモデルを用い、上昇流と下降流を別々に表現する。上昇流はガウス分布（白色ノイズ）として、下降流は非ガウス分布（ローレンツ型）として、非ガウス統計を反映させる。
• 準正規近似（QNA）に基づき、エントロピーフラクチュエーションを受動スカラーとして取り扱い、高次モーメントを閉じる。これはSamadi & Goupil (2001) と整合的である。
• 波数および周波数の積分を用いて理論的励起パワーを計算し、流れの非対称性を反映するように修正されたχₖ要因を適用する。
• 理論的パワー スペクトルを、モード線幅からの観測誤差バーを含めたGOLF機器の観測データと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 改善された二点閉じ込めモデルによる乱流レイノルズ応力の記述が、太陽pモードの理論的励起率にどのように影響を与えるか？
• RQ2 上昇流と下降流の非対称性が、超断熱層内で励起振幅および周波数依存性に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ3 強化されたモデルは、低周波数域での振幅過大評価を避けて、GOLF機器からの周波数依存パワー スペクトルを再現できるか？
• RQ4 最終的な励起率において、レイノルズ応力項とエントロピーフラクチュエーション項の相対的寄与は何か？後者は依然として必要か？
• RQ5 結果は、上昇流の平均的断面積分率（a）にどの程度敏感か？このパラメータが対流構造に課す物理的制約は何か？

主な発見

• 改善されたCMPに基づくモデルは、2.5–4 mHz周波数範囲における理論的励起率とGOLF観測データとの乖離を低減し、理論的振幅が観測値と強く一致することを示した。
• モデルは、上昇流と下降流の非対称な取り扱いのおかげで、GOLF観測データの傾向と一致する周波数依存パワー供給を予測した。
• レイノルズ応力の記述が改善されたにもかかわらず、低周波数域（2.5 mHz未満）では数パーセントの過大評価が残っており、超断熱層の現在の取り扱いの限界を示唆している。
• ガウス分布（上昇流）とローレンツ分布（下降流）の統計を区別する周波数依存係数χₖの使用により、低周波数域での理論的パワーが低下し、観測値に近づいた。
• パラメータa（上昇流の平均的断面積分率）は、速度場の歪度のおかげで励起率に強く影響を与え、対流の非対称性が主要な物理的駆動要因であることを示している。
• 本研究は、エントロピーフラクチュエーションのモデル化のさらなる改善の必要性を明らかにした。現在のQNAに基づくアプローチは、全体の励起バランスにバイアスをもたらす可能性があり、その影響が懸念される。