[論文レビュー] Torsional oscillations in the solar convection zone

Eurico Covas, Reza Tavakol+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2000

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、磁場と温度勾配の非線形結合を通じて、方位成分のローレンツ力によって駆動される平均場ダイナモモデルを提案し、太陽対流圏内のねじれ振動を説明する。このモデルは、磁気周期の半分の周期を持つ赤道に向かって移動するゾーナル流れを再現し、深部にまで及ぶ振動を示す太陽地震学的観測と整合的である。

ABSTRACT

Recent analysis of the helioseismic observations indicate that the previously observed surface torsional oscillations extend significantly downwards into the solar convection zone. In an attempt to understand these oscillations, we study the nonlinear coupling between the magnetic field and the solar differential rotation in the context of a mean field dynamo model, in which the nonlinearity is due to the action of the azimuthal component of the Lorentz force of the dynamo generated magnetic field on the solar angular velocity. The underlying zero order angular velocity is chosen to be consistent with the most recent helioseismic data. The model produces butterfly diagrams which are in qualitative agreement with the observations. It displays torsional oscillations that penetrate into the convection zone, and which with time migrate towards the equator. The period of these oscillations is found to be half that of the period of the global magnetic fields. This is compatible with the observed period of the surface torsional oscillations. Inside the convection zone, this is a testable prediction that is not ruled out by the observations so far available.

研究の動機と目的

• 非線形ダイナモモデルを通じて、太陽対流圏で観測されるねじれ振動の起源を理解すること。
• ダイナモによって生成された磁場からのローレンツ力が、対流圏にまで及ぶゾーナル流れを駆動できるかどうかを調査すること。
• モデルが観測された11年周期および赤道に向かう移動を再現できるかどうかをテストすること。
• プラントル数やダイナモのパリティなどのモデルパラメータが、振動の振幅および構造に与える影響を検討すること。
• 表面観測とは異なる、深部におけるねじれ振動の周期について、検証可能な予測を提示すること。

提案手法

• 球殻内に2次元軸対称平均場ダイナモモデルを定式化し、α効果および乱流拡散率を含む誘導方程式を用いる。
• ダイナモによって生成された磁場からの方位成分のローレンツ力によって角速度が修正され、非線形性が導入される。
• 速度摂動方程式には、ローレンツ力に比例する源項と、球座標系におけるラプラシアン作用素を含む粘性拡散項が含まれる。
• 太陽半径および磁気拡散率に基づく時標を用いて次元なし化を行い、Rα、Rω、およびプラントル数を含む次元なしパラメータが得られる。
• Rα、Rω、およびプラントル数の異なる値について数値解を計算し、奇数および偶数パリティの制約を検証する。
• 太陽地震学的観測と比較するため、残留回転およびトロイダル磁場のバタフライダイアグラムを生成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ローレンツ力の非線形性を含む平均場ダイナモモデルは、太陽対流圏にまで及ぶねじれ振動を生成できるか？
• RQ2 モデルは、約22年周期で赤道に向かって移動するゾーナル流れ帯を再現できるか？
• RQ3 ねじれ振動の周期は、表面で観測されたように、グローバル磁場周期の半分か？
• RQ4 プラントル数および解のパリティに応じて、振動の振幅および構造はどのように変化するか？
• RQ5 モデルは、現在の太陽地震学的逆問題と一致するゾーナル流れ摂動のバタフライダイアグラムを生成できるか？

主な発見

• モデルは、表面で観測されたねじれ振動と整合的で、約11年周期の赤道に向かって移動するゾーナル流れ帯を生成する。
• ねじれ振動は対流圏にまで浸透し、深さに従って振幅が増加し、プラントル数 = 1.0の場合、R = 0.84R⊙で0.4 nHzを超える。
• ねじれ振動の周期は、グローバル磁場周期の正確に半分であり、現在の観測では否定されていない、重要な検証可能な予測である。
• 奇数パリティの解では、バタフライダイアグラムに赤道付近の特徴が現れるが、これは現在の観測逆問題には存在しない。ただし、プラントル数が増加するにつれてこの特徴は弱まる。
• 偶数パリティの解では、より大きな振幅を示し、赤道付近の特徴がないため、混合パリティの解が観測とよりよく一致すると示唆される。
• モデルの予測はパラメータの変動に対して頑健であるが、運動量方程式における一様密度の仮定に敏感である。