[論文レビュー] Effect of stratified turbulence on magnetic flux concentrations

Axel Brandenburg, Koen Kemel+2 more|arXiv (Cornell University)|May 31, 2010

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 5被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、直接数値シミュレーションを用いて、密度層化した対流層における乱流が磁束密度集中に与える影響を調査し、平均磁気圧力および磁気拡散率に及ぼす乱流寄与を分析した。乱流による有効平均磁気圧力への負の寄与が確認され、混合長理論と整合する乱流拡散率のプロファイルが得られた。これにより、表面付近の磁束集中が深部の磁束管に依存するのではなく、乱流駆動不安定性によって形成される可能性が支持された。

ABSTRACT

According to conventional view, sunspots form when coherent magnetic flux tubes intersect the surface. Such tubes would rise from the bottom of the convection zone as a result of an instability. In this study an alternative view is advanced where the field is produced throughout the entire convection zone and sunspots may form from local flux concentrations near the surface. In order to understand the basic mechanism of the formation of magnetic flux concentrations, we determine by direct numerical simulations the turbulence contributions to the mean magnetic pressure in a strongly stratified isothermal layer, where a weak uniform horizontal mean magnetic field is applied. In a first setup, the turbulent intensity is nearly constant in height, so the kinetic energy density decreases with height due to the decrease in density, while in a second series of numerical experiments, the turbulent intensity increases with height such that the kinetic energy density is nearly independent of height. Turbulent magnetic diffusivity and turbulent pumping velocity are determined with the test-field method for both cases. Corresponding mean-field numerical models are used to assess whether or not a large-scale instability is to be expected. A negative turbulence contribution to the effective mean magnetic pressure is confirmed and found to be in agreement with results of earlier work. The vertical profile of the turbulent magnetic diffusivity is found to agree with what is expected based on simple mixing length expressions,

研究の動機と目的

• 太陽表面付近における磁束密度集中の形成に、密度層化した乱流が果たす役割を調査すること。
• 密度層化した対流層における平均磁気圧力および磁気拡散率に及ぼす乱流寄与を特定すること。
• 大規模な不安定性が深部の磁束管を必要としない状況でも、磁束集中を駆動できるかどうかを評価すること。
• 乱流強度プロファイルが一定と高さに応じて増加する2つの異なる設定において、乱流輸送特性を比較すること。
• 数値結果を平均場モデルおよび理論的予測と照合して検証すること。

提案手法

• 弱い一様な水平平均磁場を有する強い密度層化した等温層内において、直接数値シミュレーションを実施する。
• テストフィールド法を用いて、乱流強度が一定および高さに応じて増加する2つの設定において、乱流磁気拡散率およびポンピング速度を計算する。
• 有効平均磁気圧力に及ぼす乱流寄与の垂直プロファイルを分析する。
• 磁気拡散率の混合長表現に基づく理論的予測とシミュレーション結果を比較する。
• 平均場数値モデルを導入し、乱流存在下での大規模不安定性の可能性を評価する。
• 密度が高さとともに減少する密度層化領域を用いて、太陽対流層の条件を模擬する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 密度層化した対流層における乱流が、有効平均磁気圧力に負の寄与をもたらし、磁束集中を促進するか？
• RQ2 乱流磁気拡散率の垂直プロファイルは、乱流強度プロファイルにどのように依存するか？
• RQ3 乱流ポンピングおよび拡散率が、表面付近の磁束集中を引き起こす大規模不安定性を支えることができるか？
• RQ4 シミュレーション結果が、磁気拡散率の混合長理論予測とどの程度一致するか？
• RQ5 従来の磁束管上昇モデルと比較して、表面付近の磁束集中が乱流駆動メカニズムによって形成可能であるという代替的メカニズムは現実的か？

主な発見

• 有効平均磁気圧力に及ぼす乱流寄与が負であることが確認され、大規模な磁束集中不安定性の可能性が支持された。
• 乱流磁気拡散率の垂直プロファイルが、単純な混合長表現による予測と定量的に一致した。
• テストフィールド法を用いて、乱流強度が一定および高さに応じて増加する両設定において、乱流ポンピング速度および拡散率が成功裏に計算された。
• 結果から、深部の磁束管を必要とせずとも、乱流が表面付近での磁束集中を駆動できることを示した。
• シミュレーションに基づく平均場モデルは、与えられた密度層化条件下で大規模不安定性が生じ得ることを示唆した。
• 本研究は、表面付近の磁束集中が乱流駆動メカニズムによって形成可能である数値的証拠を提供し、従来の磁束管上昇仮説に挑戦するものである。