[論文レビュー] The Sun's Shallow Meridional Circulation

David H. Hathaway|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2011

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、SOHO/MDIドップラー観測データにおけるスーパーグランール追跡を用いて、太陽の緯度方向循環を測定し、表面せん断層以下の深さ35 Mm未満で浅い赤道方向の還流が存在することを明らかにした。これは、長年にわたり深さ約200 Mmで還流が発生すると仮定していた動磁気理論とは矛盾する。この結果は、太陽動磁気モデルに根本的な見直しが必要であることを示唆し、今後は上部対流層に限局した循環を考慮に入れたモデル構築が不可欠となる。

ABSTRACT

The Sun's global meridional circulation is evident as a slow poleward flow at its surface. This flow is observed to carry magnetic elements poleward - producing the Sun's polar magnetic fields as a key part of the 11-year sunspot cycle. Current theories for the sunspot cycle assume that this surface flow is part of a circulation which sinks inward at the poles and turns equatorward at depths below 100 Mm. Here we use the advection of the Sun's convection cells by the meridional flow to map the flow velocity in latitude and depth. Our measurements show the largest cells clearly moving equatorward at depths below 35 Mm - the base of the Sun's surface shear layer. This surprisingly shallow return flow indicates the need for substantial revisions to solar/stellar dynamo theory.

研究の動機と目的

• スーパーグランールの運動を用いて、太陽における深さ依存の緯度方向循環を測定すること。
• 太陽動磁気理論における仮定、すなわち極方向表面流れが深さ約200 Mmで赤道方向に還流するとする仮定を検証すること。
• 表面せん断層（35 Mm未満）内で緯度方向流れが逆転するかどうかを特定すること。
• 緯度方向循環の深さ依存性について、相矛盾するヘルモセイスミック観測結果を統合すること。
• 浅い還流が太陽動磁気理論およびフラックス輸送モデルに与える影響を評価すること。

提案手法

• SOHO/MDIが1分間隔で取得した1024×1024ピクセルのドップラー速度マップにおいて、スーパーグランールの緯度および経度方向の運動を追跡した。
• 31分間隔の時間的ガウスフィルタを適用し、高速で乱流的な流れから、大規模でゆっくりとした対流パターンを分離した。
• 太陽の地理座標グリッド（±90°経度、極から極まで）にフィルタリングされたデータをマップし、太陽の自転軸の傾きと向きを補正した。
• ベクトル球面調和関数に基づくシミュレーテッドデータを用いて、細胞状の流れをモデル化し、深さと速度の関係を検証した。
• 回転速度の増加が、安定性の臨界勾配までしか深さに依存しないという制約を用い、対流セルの波長と深さの関係を特定した。
• 角運動量保存則とヘルモセイスミックデータに基づき、観測された回転速度と一致するように深さ推定値をキャリブレーションした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽の極方向表面の緯度方向流れは、表面せん断層（35 Mm未満）内で赤道方向に還流するか、それともより深い深さ（約200 Mm）で還流するか？
• RQ2 さまざまなサイズの対流セルの広がりを用いて、深さ依存の緯度方向循環をどのように推定できるか？
• RQ3 スーパーグランールおよび大規模セルの観測された流れの速度は、深部の緯度方向循環を仮定する動磁気モデルの予測とどの程度一致するか？
• RQ4 ヘルモセイスミック測定値と観測データは、緯度方向流れの逆転深さについてどの程度一致しているか？
• RQ5 観測された浅い還流は、黒spot活動の赤道方向の移動を説明できるか？

主な発見

• 緯度方向流れは、表面せん断層の底（約35 Mm）で極方向から赤道方向に逆転している。
• 波長30–35 Mmの最大のスーパーグランールは、表面せん断層の深さに一致しており、セルサイズと層の深さとの直接的な関連を示している。
• 赤道方向の還流は上部対流層に限定されており、フラックス輸送動磁気モデルが仮定するように200 Mmの深さまで達しない。
• 対流セルの回転速度は、10–15 Mmまでの深さで増加し、動的安定性の臨界勾配に従う。これは深さ推定の妥当性を確認するものである。
• 浅い還流は、深部対流層の数値シミュレーションが観測された大規模な流れを再現できない理由を説明している。これは、表面スケールのスーパーグランール駆動循環が欠落しているためである。
• この結果は、深部の緯度方向循環を前提とするフラックス輸送動磁気モデルの妥当性を疑問視し、表面せん断層が動磁気作用の主たる場所である可能性を示唆している。