[論文レビュー] Bistability between equatorial and axial dipoles during magnetic field reversals

Christophe Gissinger, Ludovic Petitdemange+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2012

Geomagnetism and Paleomagnetism StudiesBiochemistry, Genetics and Molecular Biology参考文献 18被引用数 21

ひとこと要約

本研究では、地球内部の磁気力学シミュレーションにおける赤道対称性の破れが、軸対称磁気双極子と赤道双極子の間で二安定状態を引き起こし、一時的な赤道双極子状態を介して混沌とした磁気極性反転を可能にすることを示している。このメカニズムにより、地球に類似した反転は、半球的赤道双極子を介した乱流的遷移として説明可能であり、反転頻度は対称性破れの強さ（C）に比例して増加する。

ABSTRACT

Numerical simulations of the geodynamo in presence of an heterogeneous heating are presented. We study the dynamics and the structure of the magnetic field when the equatorial symmetry of the flow is broken. If the symmetry breaking is sufficiently strong, the m = 0 axial dipolar field is replaced by an hemispherical magnetic field, dominated by an oscillating m = 1 magnetic field. Moreover, for moderate symmetry breaking, a bistability between the axial and the equatorial dipole is observed. In this bistable regime, the axial magnetic field exhibits chaotic switches of its polarity, involving the equatorial dipole during the transition period. This new scenario for magnetic field reversals is discussed within the framework of the Earth's dynamo.

研究の動機と目的

• コア内の流れにおける赤道対称性の破れが、磁場の形状および反転ダイナミクスに与える影響を調査すること。
• 中程度の対称性破れ下で、軸対称双極子状態と赤道双極子状態の間の二安定状態が出現するかどうかを特定すること。
• 反転過程における赤道双極子の役割を、軸双極子反転の遷移状態として探ること。
• 反転頻度が熱的境界条件における赤道非対称性の程度とどのように関係するかを特定すること。
• このメカニズムが、地球の geomagnetic 反転の不規則で混沌とした性質を説明するのにどの程度関連しているかを評価すること。

提案手法

• 回転する球殻内に内球と外球を有する、熱対流を示す電気的に導電性のあるボウシネスク流体の3次元数値シミュレーションを実施する。
• 外球に非一様な温度境界条件を適用する：$ T_o = T_i - \Delta T(1 - C\cos\theta) $、ここで $ C $ は対称性破れを制御する。
• 速度場および磁場に発散なし制約を課した、次元なしのナビエ＝ストークス方程式、誘導方程式、熱伝導方程式の連立系を解く。
• 固定境界条件を用いる：速度場はスリップなし、磁場は絶縁体、温度場は等温。
• Ra = 120、Pm = 20、Pr = 1、Ek = 6 \times 10^{-3}、r_i/r_o = 0.3 を一定に保ちながら、対称性破れパラメータ $ C $ を 0 から 0.25 まで変化させる。
• コア・マントル境界における磁場構造を、方位平均磁気エネルギーおよび径方向磁場成分を用いて分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コア内の流れにおける赤道対称性の破れが、安定した赤道双極子磁場の出現を引き起こす可能性があるか？
• RQ2 中程度の対称性破れ下で、軸双極子状態と赤道双極子状態の間の二安定状態が存在するか？
• RQ3 赤道双極子状態が、軸双極子磁場における混沌とした磁気極性反転を媒介しているとされるか？
• RQ4 軸双極子の反転頻度は、赤道対称性破れの程度にどのように依存するか？
• RQ5 このメカニズムは、地球の古磁気記録で観察される二峰性で不規則な反転パターンを再現できるか？

主な発見

• $ C = 0.1 $ の場合、磁場は主に軸双極子であり、非軸対称成分は弱く、弱い対称性破れ下でも安定していることが示された。
• $ C > 0.1 $ の場合、系は安定した赤道双極子状態に遷移し、流体内部では半球的磁場構造が現れ、境界面では主要モードが $ m=1 $ となる。
• $ C \approx 0.12 $ で磁場の形状に急激な遷移が観察され、$ C $ の増加に伴い軸双極子の吸引域が縮小した。
• $ C \approx 0.12 $ の場合、軸双極子は $ 0^\circ $ から $ 180^\circ $ への急速な傾き反転を示し、地球に類似した反転と一致する。
• 赤道双極子は反転過程における遷移状態として機能し、内部磁場は強く半球的であり、回転軸まわりに回転する。
• 反転頻度は $ C $ に比例して増加し、二安定状態の領域でピークに達した後、$ C > 0.2 $ で消失し、唯一赤道双極子が残存する。