[論文レビュー] Generation of mean flows in rotating anisotropic turbulence: The case of solar near-surface shear layer

A. Barekat, M. J. Käpylä+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2020

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 61被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、太陽の近表面 shear 層（NSSL）の局所的な直角座標領域において、非均一性、異方性乱流、回転を分離して模擬するシミュレーションを用いて、平均流れの生成を調査する。その結果、赤道近辺でのみ NSSL が形成され、中緯度では形成されないことが判明した。また、中緯度方向の乱流のせん断応力は無視できないほど大きく、乱流粘性係数は表面から NSSL 底部にかけて約 50% 減衰する。これは、平均場理論が中緯度方向の流れを無視する仮定に反する。

ABSTRACT

The radial gradient of the rotation rate in the near-surface shear layer (NSSL) of the Sun is independent of latitude and radius. Theoretical mean-field models have been successful in explaining this property of the solar NSSL, while global direct convection models have been unsuccessful. We investigate reason for this discrepancy by measuring the mean flows, Reynolds stress, and turbulent transport coefficients under NSSL conditions. Simulations have minimal ingredients. These ingredients are inhomogeneity due to boundaries, anisotropic turbulence, and rotation. Parameters of the simulations are chosen such they match the weakly rotationally constrained NSSL. The simulations probe locally Cartesian patches of the star at a given depth and latitude. The depth of the patch is varied by changing the rotation rate such that the resulting Coriolis numbers<1. We measure the turbulent transport coefficient relevant for the non-diffusive and diffusive parts of the Reynolds stress and compare them with predictions of current mean-field theories. A negative radial gradient of mean flow similar to the solar NSSL is generated only at the equator where meridional flows are absent. At other latitudes the meridional flow is comparable to the mean flow corresponding to differential rotation. We also find that meridional components of the Reynolds stress cannot be ignored. Additionally, we find that the turbulent viscosity is quenched by rotation by about 50\% from the surface to the bottom of the NSSL. Our local simulations do not validate the explanation for the generation of the NSSL from mean-field theory where meridional stresses are neglected. However, the rotational dependence of turbulent viscosity in our simulations is in good agreement with theoretical prediction. Our results are in qualitative agreement with global convection simulations in that a NSSL obtained near the equator.

研究の動機と目的

• グローバルな対流シミュレーションがなぜ太陽の近表面 shear 層（NSSL）を再現できないかを調査すること。一方で、平均場理論はその再現に成功している。
• 現実的な NSSL 条件下で、平均場理論の仮定（特に中緯度方向の流れや応力を無視すること）の妥当性を検証すること。
• NSSL の回転、異方性、非均一性を模倣する局所的シミュレーションフレームワークにおいて、乱流輸送係数（レイノルズ応力および粘性係数）を測定すること。
• 乱流粘性係数の回転依存性を評価し、理論的予測との整合性を確認すること。
• グローバル結合性や理想化された近似を用いずに、局所的シミュレーションで NSSL の半径方向の速度勾配 d ln Ω / d ln r ≈ −1 が自己一貫的に生成可能かどうかを検証すること。

提案手法

• 回転数を太陽の NSSL のコリオリ数に一致させるように調整した、さまざまな深さおよび緯度における局所的直角座標ボックスを用いたシミュレーション。
• 境界からの非均一性、異方性乱流、回転を含むモデルで、主要なメカニズムを分離するため、最小限の物理的要因を用いる。
• レイノルズ分解を適用して平均流れと揺らぎを分離し、レイノルズ応力および乱流粘性係数の測定を可能にする。
• 乱流輸送係数（Λ効果および粘性係数）を計算し、平均場理論および SOCA（せん断-回転近似）の予測と比較する。
• 回転率を系統的に変化させることで、NSSL の深さ全域における輸送特性の回転依存性を調査する。
• 平均流れ、応力、粘性係数の半径方向および中緯度方向成分を分析し、赤道付近と高緯度の挙動に注目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 平均場理論が中緯度方向のレイノルズ応力を無視することによって、太陽の近表面 shear 層（NSSL）の説明が誤っている可能性があるか？
• RQ2 太陽の NSSL 条件下で、半径方向の速度勾配 d ln Ω / d ln r ≈ −1 を有する現実的な NSSL が、局所的シミュレーションで自己一貫的に生成可能か？
• RQ3 回転は NSSL における乱流粘性係数にどのように影響するか？理論的予測と一致するか？
• RQ4 垂直速度展開における 2 階以上の項（V(0) を超える項）は、NSSL における角運動量輸送にどの程度寄与するか？
• RQ5 グローバルなシミュレーションがなぜ NSSL を生成できないのか。その失敗は、欠落した中緯度方向の力学的ダイナミクスか、輸送物理学の欠落に起因するのか？

主な発見

• 平均流れの負の半径方向勾配は、中緯度方向の流れが存在しない赤道近辺でのみ生成され、NSSL の赤道局在性を示している。
• レイノルズ応力の中緯度成分は非自明であり、NSSL のモデリングにおいて無視できない。これは、平均場理論の核心的仮定に反する。
• 回転の影響により、表面から NSSL 底部にかけて乱流粘性係数は約 50% 減衰する。これは理論的予測と良好に一致する。
• 垂直レイノルズ応力は角運動量の内向き半径方向輸送に寄与するが、そのプロファイルは理論的期待と乖離しており、速度展開に高次の項を含める必要があることを示唆している。
• 粘性係数の回転による抑制は理論モデルと定性的に整合するが、垂直速度展開において V(0) のみが支配的であるという仮定は、NSSL では誤りである。
• NSSL はシミュレーションにおいて赤道近辺でのみ形成され、グローバル対流シミュレーションおよび観測と一致するが、中緯度方向のダイナミクスを無視する平均場モデルとは一致しない。