[논문 리뷰] Dynamics of the fast solar tachocline: II. Migrating field

E. Forgács‐Dajka|CERN Bulletin|2006. 06. 02.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 26인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 관측된 태양 나비도그림과 유사한 이동하는 축대칭 반경방향 자기장에 의해 유도되는 태양의 태도클린(thermocline) 역학을 수치 시뮬레이션을 통해 연구한다. 깊이에 따라 변화하는 자기기구도와 프란틀 수(Prandtl number)를 고려한 결과, 이와 같은 현실적인 자기장 기하구조는 이전의 극지방 '굴곡' 현상이 심한 다이폴 모델에 비해 등속면의 공간-시간적 두께 변화를 크게 감소시킴으로써, 단순한 난류 모델링에도 불구하고 맥스웰 응력이 태도클린의 관측된 얇은 두께를 유지하는 데 기여함을 지지한다.

ABSTRACT

We present detailed numerical calculations of the fast solar tachocline based on the assumption that the dynamo field dominates over the dynamics of the tachocline. In the present paper of the series, we focus on three shortfalls of the earlier models. First, instead of the simple oscillating dipole poloidal field we study the more general magnetic field structures reminiscent of the butterfly diagram. The migrating field is prescribed as the observed axisymmetric radial magnetic field Stenflo (1988, 1994). Our results are in good agreement with our analitical estimate and our previous works in Forgacs-Dajka & Petrovay (2001,2002), but the polar "dip" in isorotational surfaces is strongly reduced in this case. On the other hand, a more realistic model should have a magnetic diffusivity decreasing significantly inside the radiative interior, so we also explore the effect of diffusivity and magnetic Prandtl number varying with depth. We found that the downwards decreasing magnetic diffusivity and Prandtl number have no significant effect on the solution, although the temporal variation of the tachocline thickness has decreased.

연구 동기 및 목표

• 이전 모델에서 과도하게 단순화된 다이폴 성분의 균일한 자기장 구조를 보완하기 위해, 태양 나비도그림과 유사한 이동하는 자기장 기하구조를 도입하고자 한다.
• 깊이에 따라 변화하는 자기기구도와 자기프란틀 수의 영향이 태도클린의 두께와 역학에 미치는 영향을 분석하고자 한다.
• 이전의 진동하는 다이폴 자기장 모델에서 관측된 인위적인 극지방 '굴곡' 현상을 줄이기 위해 목표로 한다.
• 단순화된 난류 모델링에도 불구하고, 다이너모에 의해 생성된 자기장이 맥스웰 응력에 의해 태도클린의 관측된 얇은 두께를 유지할 수 있는지 평가하고자 한다.

제안 방법

• 관측 자료(Stenflo, 1988, 1994)를 바탕으로 내부로 갈수록 감소하는 깊이에 따라 변화하는 자기기구도 프로파일을 사용한 태양 태도클린의 수치 시뮬레이션.
• 관측된 나비도그림 패tern을 반영한 22년 주기의 시간에 따라 변화하는 축대칭 반경방향 자기장 도입.
• 깊이에 따라 변화하는 자기프란틀 수(Pm)를 고려한 단순화된 난류 기구도 모델을 사용하며, Pm는 깊이가 깊어질수록 감소하여 자기장의 지배적 영향을 반영한다.
• 자기장의 다이폴 성분을 자기유체역학 프레임워크 내에서 자가일관적으로 진화시키며, 주로 맥스웰 응력에 의한 태도클린 고정화에 초점을 맞춘다.
• 이전의 모델(Paper I)과 비교하여 간단한 진동하는 다이폴 자기장 구조를 사용한 결과를 대조함으로써, 자기장 기하구조와 깊이 변화의 영향을 분리 분석한다.
• 특히 극지방과 주기 단계 의존성에 중점을 두고, 위도 및 시간에 따른 태도클린 두께 변화를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 진동하는 다이폴 자기장 대신 더 현실적인 이동하는 자기장 기하구조를 도입했을 때, 태도클린 두께의 위도적 변화는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 깊이에 따라 변화하는 자기기구도와 자기프란틀 수가 태도클린의 시간적·공간적 역학에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 이동하는 자기장의 도입이 이전의 다이폴 기반 모델에서 관측된 인위적인 극지방 '굴곡' 현상을 줄이는가?
• RQ4 다이너모 유사 자기장에서 유래한 맥스웰 응력이 단순화된 난류 모델링에도 불구하고 태도클린을 관측된 두께로 충분히 고정화할 수 있는가?
• RQ5 Pm와 기구도 프로파일이 변화할 때, 태도클린 두께의 시간적 변화는 22년 자기장 주기 단계와 어떻게 연관되는가?

주요 결과

• 이전의 다이폴 자기장 모델에서 관측된 등속면의 극지방 '굴곡' 현상은 이동하는 나비도그림 유사 자기장 구조를 사용할 경우 원래 크기의 절반 이하로 감소한다.
• 깊이에 따라 변화하는 자기기구도와 감소하는 자기프란틀 수(Pm)의 도입으로 극지방 두께의 '굴곡' 현상은 거의 완전히 제거되며, 고위도에서 더 강한 자기장에 의한 고정화가 이루어짐을 시사한다.
• 기구도 감소와 함께 깊이에 따라 증가하는 Pm에도 불구하고, 전체 해석은 안정성을 유지하며 태도클린 두께는 여전히 관측된 수준으로 고정된다.
• Pm < 1 조건에서 태도클린 두께의 시간적 변동성이 감소함을 확인하여, 향상된 맥스웰 응력이 점성 응력보다 진동을 억제함을 시사한다.
• 모델은 다이너모에 의해 생성된 자기장이 단순화된 난류 파arametrization에도 불구하고 맥스웰 응력 고정화 메커니즘을 통해 태도클린의 관측된 얇은 두께를 유지할 수 있음을 확인한다.
• 모델에서의 최대 토로이달 자기장은 약 10^4 G에 도달하지만, 개선된 경계 조건 또는 전체 다이너모에 의해 생성된 다이폴 자기장의 포함으로 더 증가할 수 있다.