[論文レビュー] Dynamics of the fast solar tachocline: II. Migrating field

E. Forgács‐Dajka|CERN Bulletin|Jun 2, 2006

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 26被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、太陽のバタフライダイアグラムに類似した移動する軸対称的径方向磁場を想定し、深さに依存する磁気拡散率とプラントル数を用いた数値シミュレーションを通じて、太陽のタコクリン層の力学的挙動を調査している。主な発見は、このような現実的でない磁場幾何学が、以前の双極子モデルと比較して、等回転面における極域の『谷』を顕著に小さくすることである。これは、空間的・時間的厚さ変動が減少することを示しており、簡略化された乱流モデルのもとでも、マクスウェル応力がタコクリン層の観測される薄さを保つ役割を果たしていることを支持する。

ABSTRACT

We present detailed numerical calculations of the fast solar tachocline based on the assumption that the dynamo field dominates over the dynamics of the tachocline. In the present paper of the series, we focus on three shortfalls of the earlier models. First, instead of the simple oscillating dipole poloidal field we study the more general magnetic field structures reminiscent of the butterfly diagram. The migrating field is prescribed as the observed axisymmetric radial magnetic field Stenflo (1988, 1994). Our results are in good agreement with our analitical estimate and our previous works in Forgacs-Dajka & Petrovay (2001,2002), but the polar "dip" in isorotational surfaces is strongly reduced in this case. On the other hand, a more realistic model should have a magnetic diffusivity decreasing significantly inside the radiative interior, so we also explore the effect of diffusivity and magnetic Prandtl number varying with depth. We found that the downwards decreasing magnetic diffusivity and Prandtl number have no significant effect on the solution, although the temporal variation of the tachocline thickness has decreased.

研究の動機と目的

• 従来のモデルで過度に単純化された双極子型の極磁場を改善し、太陽のバタフライダイアグラムに類似したより現実的な移動磁場構造を組み込むこと。
• 深さに依存する磁気拡散率および磁気プラントル数が、タコクリン層の厚さと力学的挙動に与える影響を調査すること。
• 振動する双極子磁場を用いた過去のモデルで観測された人工的な極域の『谷』を、等回転面において減少させること。
• 乱流の簡略化された取り扱いのもとでも、ダイナモ生成磁場がマクスウェル応力によってタコクリン層の観測される薄さを維持できるかどうかを評価すること。

提案手法

• Stenflo (1988, 1994) の観測的制約に基づき、内向きに減少する深さ依存の磁気拡散率プロファイルを用いた、太陽のタコクリン層の数値的シミュレーション。
• 22年周期の時間変化する軸対称的径方向磁場を導入し、観測されたバタフライダイアグラムのパターンを模倣。
• 深さに依存する磁気プラントル数（Pm）を用いた簡略化された乱流拡散率モデルを採用。Pmは深さとともに減少し、磁気的支配の増大を反映。
• 磁気流体力学的枠組み内で、ポリオイダル磁場の自己自己一貫的発展を解き、タコクリン層のマクスウェル応力による閉じ込めに注目。
• 単純な振動する双極子磁場を用いた過去のモデル（論文I）と比較し、磁場幾何学および深さ依存性の効果を分離。
• 特に極域およびサイクル位相依存性に注目し、緯度および時間にわたるタコクリン層の厚さ変動を分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 振動する双極子磁場を、より現実的で移動する磁場構造に置き換えると、タコクリン層の厚さの緯度依存性にどのような影響を与えるか？
• RQ2 深さに依存する磁気拡散率および磁気プラントル数（Pm）は、タコクリン層の時間的・空間的力学的挙動にどの程度影響を与えるか？
• RQ3 移動磁場の導入により、過去の双極子ベースのモデルで観測された人工的な極域の『谷』が減少するか？
• RQ4 ダイナモ的磁場からのマクスウェル応力が、乱流の簡略化された取り扱いのもとでも、タコクリン層をその観測される厚さに十分に閉じ込められるか？
• RQ5 Pmおよび拡散率プロファイルの変化に応じて、タコクリン層の厚さの時間的変動は22年周期の磁場サイクル位相とどの程度相関するか？

主な発見

• 双極子磁場モデルで観測された極域の『谷』は、移動するバタフライダイアグラムに類似した磁場を用いることで、元の大きさの半分にまで減少する。
• 深さに依存する磁気拡散率および減少する磁気プラントル数（Pm）の導入により、極域の厚さの谷はほぼ完全に消失し、高緯度域での磁気的閉じ込めが強化されていることが示唆される。
• 拡散率の低下および深さに伴うPmの増加にもかかわらず、全体の解は安定を保ち、タコクリン層の厚さは観測値に一致している。
• Pm < 1 の場合、タコクリン層の厚さの時間的変動が減少し、マクスウェル応力の増強が粘性応力と比較して振動を抑制していることが示唆される。
• モデルは、ダイナモ生成磁場が、乱流の簡略化されたパrametrizationのもとでも、マクスウェル応力による閉じ込めによってタコクリン層の観測される薄さを維持できることを確認した。
• モデルにおける最大トロイダル磁場は約10^4 Gに達するが、境界条件の改善や完全なダイナモ生成ポリオイダル磁場の組み込みにより、さらに増大する可能性がある。