[論文レビュー] Solar convection zone dynamics

M. Rempel|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2010

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、太陽の対流層の動態に関する数値モデルをレビューし、微分回転、緯度方向流れ、太陽ダイナモ、磁束の表面への出現を焦点とする。3次元MHDシミュレーションと平均場理論を組み合わせることで、大規模な流れと磁場の進化を説明し、非等方的対流エネルギー輸送とレイノルズ応力が、太陽に類似した微分回転を達成し、テイラー＝プライムファーマンのずれ問題を解消する鍵であることを強調している。

ABSTRACT

A comprehensive understanding of the solar magnetic cycle requires detailed modeling of the solar interior including the maintenance and variation of large scale flows (differential rotation and meridional flow), the solar dynamo and the flux emergence process connecting the magnetic field in the solar convection zone with magnetic field in the photosphere and above. Due to the vast range of time and length scales encountered, a single model of the entire convection zone is still out of reach. However, a variety of aspects can be modeled through a combined approach of 3D MHD models and simplified descriptions. We will briefly review our current theoretical understanding of these processes based on numerical models of the solar interior.

研究の動機と目的

• 太陽対流層における微分回転と緯度方向循環を維持するメカニズムを理解すること。
• 乱流レイノルズ応力と非等方的対流エネルギー輸送が角運動量輸送をどのように駆動し、テイラー＝プライムファーマン状態を破るかを調査すること。
• タコクリン層から光球面への磁束出現過程をモデル化し、磁気浮力の役割と対流との相互作用を含めること。
• 深部ダイナモモデルと近表面の磁束出現シミュレーションを結びつける際の主要な未解決問題を特定すること。
• 磁場増幅と磁束管の進化に関する欠落したリンクを解消することで、大規模ダイナモモデルと黒spotにおける観測された磁場強度の整合性を高めること。

提案手法

• 音響波をフィルタリングしながら圧縮性および密度層化を保持する、アンアスリックMHDシミュレーションを用いて、深部対流層（光球面下約10–20 Mmまで）をモデル化する。
• 上部対流層（光球面およびその上）に対して、完全圧縮性MHDモデルを用い、放射移動と粒状スケールの力学を組み込む。
• 小スケール乱流をパラメータ化する平均場理論を適用し、レイノルズ応力と乱流磁気拡散率を2次相関項によってモデル化する。
• グローバル3次元シミュレーションと簡略化モデルを組み合わせ、大規模な流れのパラメータ空間および長期的進化を探索する。
• ヘルモセイスミック制約を用いて、微分回転プロファイルの妥当性を検証し、モデルの現実性を評価する。
• 磁束出現シミュレーションをダイナモモデルと統合し、初期磁場強度と進化経路の整合性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レイノルズ応力と緯度方向流れは、どのように太陽の微分回転の維持に寄与しているか？
• RQ2 非等方的対流エネルギー輸送は、テイラー＝プライムファーマン状態を破り、約10 Kの極縁温度差を生じさせる役割を果たすか？
• RQ3 なぜ大多数のダイナモモデルはタコクリン層で必要な約10^5 Gの磁場を生成できないのか？観測された黒spot磁場とどのように整合化できるか？
• RQ4 対流層から出現するサブキロガウスの磁場は、近表面の力学によって黒spot強度の磁場（10^4–10^5 G）に再増幅可能か？
• RQ5 上昇する低波数（m=1,2）の磁束管から一体性のある黒spotが形成されるメカニズムは何か？また、深部の根から動的分離が生じる原因は何か？

主な発見

• 3次元シミュレーションで自然に捉えられる非等方的対流エネルギー輸送により、約10 Kの極縁温度差が実現され、これはテイラー＝プライムファーマン状態を破る上で不可欠である。
• 東西方向に優位な回転に一致する対流セルが生じる中で、レイノルズ応力が赤道方向への角運動量輸送を引き起こし、観測された微分回転プロファイルに寄与している。
• パラメータ化されたレイノルズ応力を持つ平均場モデルは、バロクリン効果と適切なパラメータ化が含まれる限り、太陽に類似した微分回転を再現可能である。
• ヘルモセイスミック観測で観測された定Ω等高線の約25°の傾きは、非一様なエネルギー輸送と力のバランス（浮力および圧力勾配を含む）を考慮した場合にのみ再現可能である。
• 放射移動を組み込んだ近表面MHDシミュレーションは、磁気対流プロセスにより、ウムブラ・ドット、ペヌムラ・フィラメント、エーバーシド・フローといった黒spotの微細構造を成功裏に再現している。
• 主な課題として残るのは、観測と一致させるためにタコクリン層で約10^5 Gの初期磁場が必要であるが、大多数のダイナモモデルでは約10^4 Gしか生成できないため、磁場増幅メカニズムに顕著なギャップが存在する。