[論文レビュー] Angular momentum transport by internal gravity waves III - Wave excitation by core convection and the Coriolis effect

Florian Pantillon, S. Talon+1 more|ArXiv.org|Aug 10, 2007

Scientific Research and Discoveries参考文献 26被引用数 32

ひとこと要約

本稿は、コリオリ効果による回転が、対流核を有する3 M⊙の主系列星における内部重力波の性質および角運動量輸送に与える影響を調査する。従来の近似を用いて、回転が重力波を重力慣性波に変換し、角運動量を赤道付近に集中させるとともに、ヤナイ波、ケルビン波、ロスビー波といった新たな波型を導入する。各波型は特徴的な角運動量堆積プロファイルを示し、質量星における波駆動型角運動量再分配を顕著に変化させる。

ABSTRACT

This is the third in a series of papers that deal with angular momentum transport by internal gravity waves. We concentrate on the waves excited by core convection in a 3Msun, Pop I main sequence star. Here, we want to examine the role of the Coriolis acceleration in the equations of motion that describe the behavior of waves and to evaluate its impact on angular momentum transport. We use the so-called traditional approximation of geophysics, which allows variable separation in radial and horizontal components. In the presence of rotation, the horizontal structure is described by Hough functions instead of spherical harmonics. The Coriolis acceleration has two main effects on waves. It transforms pure gravity waves into gravito-inertial waves that have a larger amplitude closer to the equator, and it introduces new waves whose restoring force is mainly the conservation of vorticity. Taking the Coriolis acceleration into account changes the subtle balance between prograde and retrograde waves in non-rotating stars. It also introduces new types of waves that are either purely prograde or retrograde. We show in this paper where the local deposition of angular momentum by such waves is important.

研究の動機と目的

• 回転星内部におけるコリオリ加速度が内部重力波のダイナミクスに与える影響を評価すること。
• 回転が3 M⊙の主系列星における波の固有関数、角運動量フラックス、波の減衰に与える影響を特定すること。
• 異なる波型（重力慣性波、ヤナイ波、ケルビン波、ロスビー波）が放射層内でどこに、どのように角運動量を堆積させるかを特定すること。
• 非対称な波励起および減衰によって、質量星の放射層内に波駆動型の速度シアー層や混合が形成される可能性を評価すること。

提案手法

• 回転星における従来の近似を適用し、径方向および水平方向の波成分を分離し、球面調和関数の代わりにハウ関数を用いる。
• コリオリ項を含む線形化運動方程式を解き、波周波数σ = 3 μHzおよび回転パラメータν = 13.3を用いる。
• WKB近似を用いて、熱拡散率によって支配される減衰を伴う角運動量ランプ（角運動量発生率）𝒫_J(r) = 4πr²𝒫_J(r_c)e^−τ(r)を計算する。
• 波の固有値Λおよびモードの方位角モード数m′を評価し、波の構造および角運動量フラックスを特定する。
• 数値解と波の振幅および角運動量堆積プロファイルの漸近的近似を比較する。
• 特に対流核および星面付近での放射層全体における波の減衰および角運動量堆積を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コリオリ加速度は、回転星における内部重力波の水平構造および角運動量輸送にどのように影響を与えるか？
• RQ2 回転は、3 M⊙の主系列星における固有関数およびモード分類（例：重力慣性波、ヤナイ波、ケルビン波、ロスビー波）にどのような影響を与えるか？
• RQ3 異なる波型が角運動量をどこに、どのように堆積させるか？また、波周波数および回転速度に依存するか？
• RQ4 非対称な波励起および減衰によって、放射層内に波駆動型の速度シアー層や混合が形成されるか？
• RQ5 異なる波型におけるm′（有効方位角モード数）の極限値が、角運動量フラックスおよび径方向構造にどのように関係するか？

主な発見

• コリオリ加速度により、純粋な重力波は赤道に近接して閉じ込められる重力慣性波に変換され、非回転状態の対応物よりも角運動量を運ばない。
• 重力慣性波では、回転が強くなるにつれて有効方位角モード数m′がm′ ≈ m/3に飽和し、角運動量フラックスが低下する。
• ヤナイ波は、高νにおける主たる回復力が重力であるが、m′ ≈ m/3であり、重力慣性波よりも核から遠くで減衰するため、堆積領域が広がる。
• ケルビン波およびロスビー波は、渦度保存が回復力であるが、m′ ≈ mであり、固有値Λが小さいため、星表面に近い場所で最も強く減衰する。
• 角運動量堆積は、重力慣性波およびヤナイ波では対流核付近で最も強く、ケルビン波およびロスビー波では表面付近に堆積し、表面の速度シアーおよび混合を誘発する可能性がある。
• 対流境界では、分子量勾配のため局所的角運動量ランプが急激に低下し、外層では熱拡散率が高くなると減衰が増加する。