[論文レビュー] Structure and Evolution of Giant Cells in Global Models of Solar Convection

Mark S. Miesch, A. S. Brun+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2007

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 16

ひとこと要約

本研究は、太陽の対流層における圧縮性で回転する対流の球殻内における、これまでで最も高解像度の3次元シミュレーションを用いて、巨大セルの構造を調査した。その結果、一貫した下降流構造（巨大セル）が、レイノルズ応力輸送によって強い差動回転を維持しており、低緯度では前向きに、高緯度では後退的で渦状の流れを示すことが判明した。また、スーパーグランulationに覆い隠される中でも、ヘルモセイスミック探査によってそれらの表面下の特徴が検出可能である可能性がある。

ABSTRACT

The global scales of solar convection are studied through three-dimensional simulations of compressible convection carried out in spherical shells of rotating fluid which extend from the base of the convection zone to within 15 Mm of the photosphere. Such modelling at the highest spatial resolution to date allows study of distinctly turbulent convection, revealing that coherent downflow structures associated with giant cells continue to play a significant role in maintaining the strong differential rotation that is achieved. These giant cells at lower latitudes exhibit prograde propagation relative to the mean zonal flow, or differential rotation, that they establish, and retrograde propagation of more isotropic structures with vortical character at mid and high latitudes. The interstices of the downflow networks often possess strong and compact cyclonic flows. The evolving giant-cell downflow systems can be partly masked by the intense smaller scales of convection driven closer to the surface, yet they are likely to be detectable with the helioseismic probing that is now becoming available. Indeed, the meandering streams and varying cellular subsurface flows revealed by helioseismology must be sampling contributions from the giant cells, yet it is difficult to separate out these signals from those attributed to the faster horizontal flows of supergranulation. To aid in such detection, we use our simulations to describe how the properties of giant cells may be expected to vary with depth, how their patterns evolve in time, and analyze the statistical features of correlations within these complex flow fields.

研究の動機と目的

• 高解像度3次元シミュレーションを用いて、太陽対流層における巨大セルの構造と進化を理解すること。
• 巨大セルが太陽の強い差動回転をどのように維持しているかを特定すること。
• 特にスーパーグランulationのような小スケールの流れの存在下でも、ヘルモセイスミックデータにおける巨大セルの特徴の検出可能性を評価すること。
• 巨大セルの流れの深さ依存的性質と統計的特徴を特徴づけることで、ヘルモセイスミック流マップの解釈の基盤を提供すること。
• 平均流れとレイノルズ忤の役割を定量化することで、今後のダイナモモデルの構築を支援すること。

提案手法

• 対流層の底から光球面下15 Mmまでの球殻内における、3次元的、圧縮性で回転する対流のシミュレーションを実施。
• マス・パラレルスーパーコンピューティングを用いて、これまでで最高の空間解像度を達成し、乱流対流と一貫した巨大セル構造の両方を解像可能とした。
• 渦度（ζ′）と発散（Δ′）の相関を用いた統計的診断法により、大規模な流れのパターンを同定。
• レイノルズ忤（F̄RS）と緯度方向循環（F̄MC）を用いて角運動量輸送を評価し、角運動量方程式におけるバランス F̄RS + F̄MC ≈ 0 に注目した。
• タコクリンと熱的に結合するのを模倣するため、下部境界に緯度方向のエントロピー勾配を導入し、バロクリントルクを誘発した。
• モデルの妥当性を検証するため、シミュレートされた平均流れと差動回転プロファイルを、ヘルモセイスミック逆問題と太陽観測と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高解像度グローバルモデルにおける太陽対流の巨大セルは、どのように構造的・時間的に進化するか？
• RQ2 レイノルズ忤と緯度方向循環は、太陽の差動回転をどのように維持しているか？
• RQ3 巨大セルの流れは平均西風流に対してどのように伝播し、それが緯度に依存してどのように変化するか？
• RQ4 ヘルモセイスミックデータにおいて、巨大セルの特徴は、スーパーグランULATIONやグランULATIONの特徴から区別可能か？
• RQ5 巨大セルの表面下の流れ場の統計的および力学的特徴は何か？また、それらは深さに応じてどのように変化するか？

主な発見

• 低緯度における巨大セルは、平均西風流に対して前向きに伝播するが、中・高緯度の流れは後退的で渦状の性質を示す。
• 下降流ネットワークの間隙部には、強いコンパクトな気団渦が存在し、気団渦度と水平収束の間に一般的な相関が見られる。
• レイノルズ忤は角運動量を赤道方向および内向きに輸送するが、緯度方向循環はこれに反発する。その結果、角運動量フラックスのバランスがほぼ閉じており（F̄RS + F̄MC ≈ 0）、粘性拡散は無視できることが示された。
• シミュレートされた差動回転の対比は、赤道と60°緯度の間で約50 nHzであり、太陽の値（約90 nHz）より小さいが、単調減少であり、中緯度ではほぼ径方向の等高線を示すという点で、定性的に類似している。
• 時間平均された緯度方向循環は、1つの極に向かうセルが1つずつ存在し、上部対流層では速度が約20 m s⁻¹であり、ヘルモセイスミックおよびドッパー測定と同等の値である。
• 渦度（ζ′）と発散（Δ′）の相関は、ヘルモセイスミック表面下の流れマップにおける大規模な流れのパターンを同定する強力な診断法であるが、高振幅の局所的イベントでは破綻する。