[論文レビュー] Theories of the solar cycle : a critical view

H. C. Spruit|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2010

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 5被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、太陽周期が従来の仮定とは異なり、乱流対流によるものではなく、磁場自体の浮力不安定性によって主に駆動されていると主張している。平均場ダイナモ理論に挑戦し、差動回転が多極磁場をねじり、それが浮力によって噴出するというメカニズムを提唱している。活発領域の出現や赤道方向へのずれの観測的証拠が裏付けとして提示されている。

ABSTRACT

Some established views of the solar magnetic cycle are discussed critically, with focus on two aspects at the core of most models: the role of convective turbulence, and the role of the `tachocline' at the base of the convection zone. The standard view which treats the solar cycle as a manifestation of the interaction between convection and magnetic fields is shown to be misplaced. The main ingredient of the solar cycle, apart from differential rotation, is instead buoyant instability of the magnetic field itself. This view of the physics of the solar cycle was already established in the 1950s, but has been eclipsed mathematically by mean field turbulence formalisms which make poor contact with observations and have serious theoretical problems. The history of this development in the literature is discussed critically. The source of the magnetic field of the solar cycle is currently assumed to be located in the `tachocline': the shear zone at the base of the convection zone. While the azimuthal field of the cycle is indeed most likely located at the base of the convection zone, it cannot be powered by the radial shear of the tachocline as assumed in these models, since the radiative interior does not support significant shear stresses. Instead, it must be the powered by the latitudinal gradient in rotation rate in the convection zone, as in early models of the solar cycle. Possible future directions for research are briefly discussed.

研究の動機と目的

• 太陽周期が乱流対流および平均場ダイナモ過程によって駆動されているという標準的見解を、批判的に再評価すること。
• 特に活発領域の出現および赤道方向へのずれという観測的証拠が、主に磁場の浮力が主要メカニズムであることを示唆していると主張すること。
• タコクリーンがダイナモの源であるという役割を疑問視し、その領域における半径方向の速度勾配が顕著な剪断応力を維持できないと主張すること。
• 初期のモデル（特に赤道方向の差動回転と浮力不安定性に基づくもの）の重要性を再確認し、平均場形式主義に埋もれさせられていたことを強調すること。
• 磁場安定性、混合極性フラックスのアニーリング、10⁵ Gの磁場強度における熱力学的平衡に関する未解決の問題を特定すること。

提案手法

• 活発領域の出現に関する観測データ（傾き角、赤道方向へのずれ、極方向への拡散）を分析し、磁場の浮力が果たす役割を推定する。
• 差動回転が多極磁場をねじり、その結果生じる環状磁場の成長の緯度依存性を予測する簡単なモデルを用い、観測された活動領域のずれと一致させる。
• 対流圏底部における10⁵ Gの磁場の熱力学的安定性を評価し、中立浮力状態に達するには通常の対流揺らぎよりも約100倍大きな温度低下が必要であることを示す。
• 平均場乱流形式主義の限界を批判的に検討し、観測との不一致および理論的矛盾に焦点を当てる。
• 3次元放射線圧MHDシミュレーションのレビューを行い、フラックスの出現および sunspot 構造をうまく再現しており、浮力駆動モデルを支持する。
• 表面での混合極性フラックスのアニーリングは、重要なが未解明なプロセスである可能性を提起し、全太陽放射に影響を与える可能性がある。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ太陽周期では活発領域が赤道方向にずれるのか。このパターンを説明する物理的メカニズムは何か。
• RQ2 傾き角や磁極分離が観測された活発領域の出現が、乱流対流ではなく磁場の浮力によって説明可能か。
• RQ3 半径方向の速度勾配があるにもかかわらず、なぜタコクリーンは環状磁場を駆動するのに適した源とは言えないのか。
• RQ4 なぜ10⁵ G程度の磁場が、急速な浮上を避けるために対流圏底部で安定に層上されるのか。
• RQ5 分散した混合極性磁場フラックスのアニーリングが太陽周期に果たす役割は何か。また、全太陽放射に影響を与える可能性はあるか。

主な発見

• 太陽周期は、乱流対流や平均場ダイナモ過程ではなく、環状磁場の浮力不安定性によって駆動されている。
• 赤道方向へのずれおよび活動領域の極方向への拡散という観測結果は、差動回転によって緯度に応じて磁場強度が増加し、約60°緯度で最初に不安定化に達するモデルと整合的である。
• 放射性内部は顕著な剪断応力を維持できないため、タコクリーンにおける半径方向の速度勾配は環状磁場を駆動できない。
• 多極磁場の主な源は、おそらく対流圏内の回転速度の緯度勾配によるものであり、初期モデルが示唆した通りである。
• 10⁵ Gの磁場は、中立浮力状態に達するには通常の対流揺らぎよりも約100倍大きな温度低下が必要であり、熱力学的課題を呈する。
• 最近の3次元放射線圧MHDシミュレーションは、フラックスの出現およびsunspot 構造をうまく再現しており、浮力駆動モデルの信頼性を高め、古くなった平均場手法に疑問を呈している。