[論文レビュー] Solar differential rotation: origin, models, and implications for dynamo

L. L. Kitchatinov|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2011

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、乱流対流と回転が働く太陽の差動回転の平均場理論を提示し、$Λ$-効果による非等方的角運動量輸送が赤道付近の加速を説明できることを示している。数値モデルは観測された太陽の回転プロファイルを再現し、対流圏の基部に強い緯向流れを予測しており、星間ダイナモのメカニズムに影響を与える。回転が速いF型星では、より強い差動回転があるにもかかわらず、ダイナモ作用が低効率であることが示唆されている。

ABSTRACT

Helioseismology shows that the regions occupied by convection and differential rotation inside the sun almost coincide. This supports the leading theoretical concept for the origin of differential rotation as a result of interaction between convection and rotation. This talk outlines the current state of the differential rotation theory. Numerical models based on the theory reproduce the observed solar rotation quite closely. The models also compute meridional flow and predict that the flow at the bottom of the convection zone is not small compared to the surface. Theoretical predictions for stellar differential rotation as a function of the stellar mass and rotation rate are discussed and compared with observations. The implications of the differential rotation models for solar and stellar dynamos are briefly discussed.

研究の動機と目的

• 対流と回転の相互作用によって太陽の差動回転の起源を説明すること。
• 観測された太陽の回転プロファイルを再現できる平均場モデルの構築と検証すること。
• 特に対流圏の基部における緯向循環の構造を予測すること。
• 差動回転が太陽および星間ダイナモ過程に与える影響を評価すること。
• 理論的予測された星間差動回転と、太陽型およびF型星の観測データを比較すること。

提案手法

• 回転する対流帯における乱流的角運動量輸送をモデル化するために$Λ$-効果形式を用いる。
• 対流と回転の非線形的相互作用を定量化するためにコリオリ数$\Omega^* = 2\tau\Omega$を適用する。
• エントロピー勾配から導かれる乱流粘性係数および磁気拡散率を用いた平均場方程式を、緯向流れに適用する。
• 境界層補正を加えたタイラー＝プライムマン的制約下で運動量およびエネルギー収支方程式を解く。
• ダイナモ効率を評価するために磁気ダイナモ数$C_{\Omega} = \Delta\Omega H^2 / \eta_{\mathrm{T}}$を計算する。
• 3次元数値シミュレーションと理論的推定値を用いて、ヘリオセイスミドリー観測および星の観測データと照合してモデルを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのような物理的メカニズムが太陽の差動回転の起源を説明するのか？
• RQ2 非等方的対流混合が回転する対流帯でどのようにネット角運動量輸送を生じるのか？
• RQ3 特に対流圏の基部において、太陽対流圏内の緯向循環の構造と強度はどのようになるのか？
• RQ4 星の質量および回転速度に応じて差動回転はどのように変化し、観測結果とどのように一致するのか？
• RQ5 より強い差動回転があるにもかかわらず、F型星のダイナモ効率がM型星より低いのはなぜか？

主な発見

• $Λ$-効果に基づく数値モデルは、観測された太陽の差動回転プロファイルを高い精度で再現している。
• 太陽対流圏の基部における緯向流れは、強く、無視できないものであると予測されており、これはダイナモモデルにおける従来の仮定に挑戦するものである。
• 太陽対流圏内の乱流拡散係数および粘性係数は約$10^{13}$ cm² s⁻¹と推定され、グローバルな安定性および無次元磁気プレンデル数が1に近いことと整合的である。
• 理論的モデルは、表面の差動回転が星の質量に伴い増加することを予測しており、太陽類縁星のドッパー像像観測と定性的に一致する。
• より強い差動回転があるにもかかわらず、F型星ではダイナモ効率が低く（$C_{\Omega}$は有効温度の増加に伴い減少）、これはスペクトル型F6付近で対流ダイナモが停止するのと一致する。
• 対流圏の深さが増すに従い、内向きから赤道向きへの角運動量フラックスの変化は、$\Omega^*$の非線形的依存性によって説明され、$\Omega^* \sim 1$でフラックスの向きが変わることが示された。