[論文レビュー] Helioseismic Constraints and Paradigm Shift in Solar Dynamo

А. Г. Косовичев, В. В. Пипин+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2014

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、トロイダル磁場が対流圏下部で生成されるが、ダイナモ波は表面近傍の剪断層における乱流拡散によって伝播する、新しい太陽ダイナモモデルを提案する。フラックス輸送モデルとは異なり、底部の緯向循環に依存しない。代わりに、表面近傍の剪断と乱流拡散を用いて、バタフリーダイアグラムとウォルトマイアーの法則を再現する。最も良好な一致は、表面の緯向流れ速度が12 m/sのときであった。

ABSTRACT

Helioseismology provides important constraints for the solar dynamo problem. However, the basic properties and even the depth of the dynamo process, which operates also in other stars, are unknown. Most of the dynamo models suggest that the toroidal magnetic field that emerges on the surface and forms sunspots is generated near the bottom of the convection zone, in the tachocline. However, there is a number of theoretical and observational problems with justifying the deep-seated dynamo models. This leads to the idea that the subsurface angular velocity shear may play an important role in the solar dynamo. Using helioseismology measurements of the internal rotation and meridional circulation, we investigate a mean-field MHD model of dynamo distributed in the bulk of the convection zone but shaped in a near-surface layer. We show that if the boundary conditions at the top of the dynamo region allow the large-scale toroidal magnetic fields to penetrate into the surface, then the dynamo wave propagates along the isosurface of angular velocity in the subsurface shear layer, forming the butterfly diagram in agreement with the Parker-Yoshimura rule and solar-cycle observations. Unlike the flux-transport dynamo models, this model does not depend on the transport of magnetic field by meridional circulation at the bottom of the convection zone, and works well when the meridional circulation forms two cells in radius, as recently indicated by deep-focus time-distance helioseismology analysis of the SDO/HMI and SOHO/MDI data. We compare the new dynamo model with various characteristics if the solar magnetic cycles, including the cycle asymmetry (Waldmeier's relations) and magnetic `butterfly' diagrams.

研究の動機と目的

• 太陽のバタフリーダイアグラムとウォルトマイアーの法則をダイナモモデルで説明するという長年の課題に取り組む。
• 新規のヘルモセイズム観測による表面下の回転と緯向循環を踏まえて、太陽ダイナモ機構を再評価する。
• 対流圏の本体で作用するが、表面近傍の剪断と乱流プロセスによって形作られる平均場MHDモデルを構築する。
• 観測された二重セル構造の緯向循環（表面速度12 m/s）が、強力なダイナモ作用と周期の同期を可能にするかを検証する。
• 乱流的で密度に分層した対流圏に現実的な境界条件を適用した場合、ダイナモ波の伝播がペイカー＝ヨシムラ則に従うかを同定する。

提案手法

• 最小τ近似を用いて乱流拡散と電動力の計算を行う平均場磁気流体力学（MHD）を用いる。
• 乱流拡散と輸送効果は、密度の分層と乱流・磁場の空間非一様性を考慮した、アネルスティック近似で計算する。
• 緯向循環は、最近のヘルモセイズムデータに整合するように、全対流圏にわたり二重セルパターンとしてモデル化する。
• 境界条件は、大規模なトロイダル磁場が表面層にまで浸透できることを許容し、角速度の等値面に沿った波の伝播を可能にする。
• モデルは、上部対流圏におけるトロイダル磁場と径方向磁場の進化をシミュレートし、バタフリーダイアグラムと周期の非対称性を追跡する。
• 緯向循環の有無にかかわらずのシミュレーションを比較し、波の伝播と周期の形状に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 表面下の剪断と乱流拡散に基づくダイナモモデルは、観測された黒点帯の赤道方向への移動（バタフリーダイアグラム）を再現できるか？
• RQ2 底部の緯向循環に依存せずに、太陽周期の非線形的非対称性（ウォルトマイアーの法則）をモデルは説明できるか？
• RQ3 ヘルモセイズムで観測された二重セル構造の緯向循環パターンは、ダイナモ波の伝播と形状にどのように影響を与えるか？
• RQ4 現実的な境界条件を有する乱流的で分層した対流圏において、波の伝播がペイカー＝ヨシムラ則に従うか？
• RQ5 観測された太陽周期の特徴と最も良好に一致する表面の緯向流れ速度は何か？

主な発見

• ダイナモ波は、表面近傍の剪断層において角速度の等値面に沿って伝播し、ペイカー＝ヨシムラ則に従い、バタフリーダイアグラムで観測される赤道方向への移動を再現する。
• モデルはウォルトマイアーの法則を成功裏に再現した：強度の高い周期では成長時間が短く、成長時間と周期の振幅は逆相関関係にある。
• 観測と最も良好に一致するのは、表面の緯向流れ速度が12 m/sのときであり、この条件下でシミュレートされた黒点活動は極磁場の逆転とよく同期する。
• 緯向循環の導入により、バタフリーダイアグラムの両翼が広がり、周期の重複が減少し、観測とより一致するようになった。
• 従来のフラックス輸送モデルがこの条件で失敗したのとは対照的に、本モデルは、半径方向に二つのセルを持つ緯向循環でも安定して機能する。
• 乱流的下向きポンプと表面近傍の回転剪断が波を赤道方向に偏らせ、径方向の伝播を停止させ、波の波面を形作る。