[論文レビュー] Nonlinear Solar Dynamo Model with Magnetic Helicity

Irina Kitiashvili, А. Г. Косовичев|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2008

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 1被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、乱流磁気ヘリシティを組み込んだ非線形ダイナモモデルを提案し、太陽黒spot周期の観測特性（非対称な上昇・減衰段階、混沌とした挙動など）をよりよく再現することを目的としている。古典的パーキー・ダイナモモデルとは異なり、磁気ヘリシティの抑制を含むクラスレオリン＝ルズマイキン・モデルは、周期的かつ混沌とした解を生成でき、太陽黒spot数の変動と定性的に一致する。特に、周期の振幅と上昇時間の逆相関関係も再現している。

ABSTRACT

Variations of the sunspot number are important indicators of the solar activity cycles. The sunspot formation is a result of a dynamo process inside the Sun, which is far from being understood. We use simple dynamical models of the dynamo process to simulate the magnetic field evolution and investigate general properties of the sunspot number variations during the solar cycles. We have found that the classical Parker's model with a standard kinetic helicity quenching cannot represent the typical profiles of the solar-cycle variations of the sunspot number, and also does not give chaotic solutions. For modeling of the solar cycle properties we use a nonlinear dynamo model of Kleeorin and Ruzmaikin (1982), which takes into account dynamics of the turbulent magnetic helicity. We have obtained a series of periodic and chaotic solutions for different layers of the convective zone. The solutions qualitatively reproduce some basic observational features of the solar cycle properties, in particular, the relationship between the growth time and the cycle amplitude. Also, on the longer time scale the dynamo model with the magnetic helicity has intermittent solutions, which may be important for modeling long-term variations of the solar cycles.

研究の動機と目的

• 古典的パーキー・ダイナモモデルがなぜ太陽周期の非対称な上昇・減衰プロファイルを再現できないかを調査すること。
• 乱流磁気ヘリシティのダイナミクスを組み込むことで、太陽周期のシミュレーションの現実性が向上するかを検証すること。
• 磁気ヘリシティの抑制を組み込むことで、古典的パーキー・モデルとは異なり、観測された太陽変動と整合する混沌とした解が得られるかを特定すること。
• 1755年から2007年までの観測データと比較して、シミュレーションされた周期の性質（振幅、上昇時間、減衰時間など）を評価すること。

提案手法

• 完全な磁気流体力学方程式を低次の力学系に簡略化し、連立非線形常微分方程式のセットに還元する。
• 乱流磁気ヘリシティの保存則と進化を明示的に含むクラスレオリン＝ルズマイキン・ダイナモ形式を採用する。
• 磁気ヘリシティの抑制を表す自由パラメータを導入し、パーキー・モデルの標準的な運動量ヘリシティの抑制に置き換える。
• さまざまなパラメータ値に対して、得られた系を数値的に解き、周期的および混沌とした領域を探索する。
• 国立地球物理データセンター（1755–2007）の月次観測データと、シミュレーションされた太陽黒spot数の変動を比較する。
• モデル出力と観測データの両方に同一の手順を適用して、上昇時間、減衰時間、周期の持続時間などの周期的性質を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 乱流磁気ヘリシティを含む非線形ダイナモモデルは、観測された太陽周期の非対称な上昇・減衰プロファイルを再現できるか？
• RQ2 磁気ヘリシティの抑制を組み込むことで、古典的パーキー・モデルとは異なり、低次のダイナモモデルにおいて混沌とした解が得られるか？
• RQ3 シミュレーションされた周期の振幅と上昇・減衰時間との関係は、観測データとどのように一致するか？
• RQ4 モデルの周期的かつ間歇的解は、長期間にわたる太陽周期変動をどの程度反映しているか？

主な発見

• 標準的な運動量ヘリシティの抑制を用いる古典的パーキー・ダイナモモデルでは、低次の近似において非対称な上昇・減衰プロファイルや混沌とした解を生成できない。
• 磁気ヘリシティの抑制を含むクラスレオリン＝ルズマイキン・モデルは、周期的かつ混沌とした解を生成でき、通常の太陽周期のプロファイル（急激な上昇と緩やかな減衰）を定性的に再現する。
• 混沌とした解では、トロイダル磁場のピークがベクトルポテンシャルおよび磁気ヘリシティのピークと強く相関しており、複雑な非線形ダイナミクスが示唆される。
• シミュレーションされた周期では、周期の振幅と上昇時間の間に明確な逆相関関係が見られ、1755年から2007年までの観測結果と一致する。
• 減衰時間と周期の持続時間は、シミュレーションと観測の両方で振幅と弱い相関関係を示しており、実際の太陽周期行動と整合的である。
• モデルの長期間スケールでの間歇的挙動は、グランド・ミニマやグランド・マキマといった長期的な太陽周期変動を説明する手がかりを提供する可能性がある。