[論文レビュー] Angular momentum transport by internal waves in the solar interior

Jean-Paul Zahn, S. Talon+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 1996

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 1被引用数 58

ひとこと要約

この論文は、太陽の放射層内部から角運動量を効率的に運ぶ内部重力波が、太陽対流層下部の乱流対流によって生成され、約10^7年という timescale で作用することを提案している。波と乱流の結合をコルモゴロフスペクトルと転回点における放射性減衰を用いてモデル化することで、このメカニズムがヘルモセイスミアによって明らかにされた太陽の平坦な回転プロファイルを説明できることを明らかにした。

ABSTRACT

The internal gravity waves of low frequency which are emitted at the base of the solar convection zone are able to extract angular momentum from the radiative interior. We evaluate this transport with some simplifying assumptions: we ignore the Coriolis force, approximate the spectrum of turbulent convection by the Kolmogorov law, and couple this turbulence to the internal waves through their pressure fluctuations, following Press (1981) and Garcia Lopez & Spruit (1991). The local frequency of an internal wave varies with depth in a differentially rotating star, and it can vanish at some location, thus leading to enhanced damping (Goldreich & Nicholson 1989). It is this dissipation mechanism only that we take into account in the exchange of momentum between waves and stellar rotation. The flux of angular momentum is then an implicit function of depth, involving the local rotation rate and an integral representing the cumulative effect of radiative dissipation. We find that the efficiency of this transport process is rather high: it operates on a timescale of 10^7 years, and is probably responsible for the flat rotation profile which has been detected through helioseismology.

研究の動機と目的

• 太陽内部における内部重力波による角運動量輸送の効率を評価すること。
• 波駆動型の運動量輸送が、ヘルモセイスミアによって観測された太陽の平坦な回転プロファイルを説明できるかどうかを特定すること。
• 波誘発角運動量フラックスの主要な散逸メカニズムとしての転回点における放射性減衰の役割を評価すること。
• 乱流対流による波励起をコルモゴロフスペクトルと圧力揺動結合を用いてモデル化すること。
• 局所的回転と累積的放射性減衰を考慮した深さ依存の角運動量フラックスを導出すること。

提案手法

• 回転が異なる星における内部重力波を、コリオリ力の効果を無視して球座標系でモデル化し、波が回転の影響を受けるのは時間微分におけるコリオリ項によるものとみなす。
• 線形化運動方程式、連続の方程式、エネルギー保存則の下で、アネラス近似を用い、波の周波数σと方位モード数mを含む時間依存性を持つ単色波解を得る。
• プレス（1981）およびガルシア・ロペス＆スプライト（1991）の形式を用い、乱流対流による圧力揺動を通じて内部波と結合する。乱流のエネルギースペクトルにコルモゴロフスペクトルを仮定する。
• 波のエネルギーと位相速度を用いて、単色波が運ぶ角運動量フラックスを計算する。これは波の速度および圧力摂動から導かれる。
• 波スペクトル全体にわたって角運動量フラックスを統合し、局所的な波周波数と、回転勾配および波エネルギーに依存する積分Q(r)による累積的放射性減衰の効果を考慮する。
• 分子量勾配の波の伝播および減衰への影響を考慮し、ブリュント＝ヴァイスälä周波数を修正し、波分散関係に追加の安定化項を組み込んだ修正された減衰積分τ(r)を導入する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽対流層下部の乱流対流によって生成される内部重力波が、観測された平坦な回転プロファイルを説明できるほど、放射層から十分な角運動量を運べるか？
• RQ2 波の転回点における放射性減衰が、角運動量輸送の効率をどのように制御しているか？
• RQ3 コルモゴロフ則を用いてモデル化された波スペクトルが、太陽内部における総角運動量フラックスにどのように影響を与えるか？
• RQ4 分子量勾配の存在が波の伝播および減衰に与える影響は何か？また、角運動量輸送にどのような影響を与えるか？
• RQ5 内部波による角運動量輸送の特徴的な timescale は何か？他の星の進化メカニズムと比較するとどうなるか？

主な発見

• 内部波による角運動量輸送は、約10^7年という timescale で作用しており、太陽内部の観測された平坦な回転プロファイルを説明するのに十分速い。
• 波誘発角運動量フラックスは深さの関数として暗黙的に入っている。これは局所的回転率と、積分Q(r)で表される累積的放射性減衰の効果に依存する。
• 主な散逸メカニズムは、局所的波周波数がゼロとなる転回点における放射性減衰であり、ゴールドレイト＆ニコラス（1989）の結果と整合的である。
• 波周波数が回転勾配に比べてはるかに小さい領域（ω_c ≪ ΔΩ）ではフラックスが増幅され、減衰積分Q(r)は、状態に応じて(ω_c / ΔΩ)^2または(ω_c / ΔΩ)^3に比例する。
• 進化した太陽の中心部では、I > ω_c^4 が成り立つが、この領域ではQ(r) = (3/4)(ω_c^4 / I)^{3/4} - (1/3)(ω_c^4 / I)(ΔΩ / ω_c)として与えられ、波フラックスが強く抑制されている。
• 分子量勾配の導入により波分散関係が修正され、特にN_μ^2項が放射性減衰を強化し、波の振幅を低下させることで、減衰が増加する。