[논문 리뷰] Effect of stratified turbulence on magnetic flux concentrations

Axel Brandenburg, Koen Kemel외 2명|arXiv (Cornell University)|2010. 05. 31.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 5인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 강한 기층화된 난류가 태양 대류권 내에서 자기장 투과 농도에 미치는 영향을 직접 수치 시뮬레이션을 통해 분석하여, 평균 자기장 압력과 확산성에 대한 난류 기여를 연구한다. 연구는 효과적 평균 자기장 압력에 대한 음의 난류 기여를 확인하였고, 혼합길이 이론과 일치하는 난류 확산성 프로파일을 발견하여, 표면 자기장 농도가 깊은 곳의 자기장 튜브가 아닌 난류에 의해 유도되는 불안정성에 의해 형성될 수 있음을 지지한다.

ABSTRACT

According to conventional view, sunspots form when coherent magnetic flux tubes intersect the surface. Such tubes would rise from the bottom of the convection zone as a result of an instability. In this study an alternative view is advanced where the field is produced throughout the entire convection zone and sunspots may form from local flux concentrations near the surface. In order to understand the basic mechanism of the formation of magnetic flux concentrations, we determine by direct numerical simulations the turbulence contributions to the mean magnetic pressure in a strongly stratified isothermal layer, where a weak uniform horizontal mean magnetic field is applied. In a first setup, the turbulent intensity is nearly constant in height, so the kinetic energy density decreases with height due to the decrease in density, while in a second series of numerical experiments, the turbulent intensity increases with height such that the kinetic energy density is nearly independent of height. Turbulent magnetic diffusivity and turbulent pumping velocity are determined with the test-field method for both cases. Corresponding mean-field numerical models are used to assess whether or not a large-scale instability is to be expected. A negative turbulence contribution to the effective mean magnetic pressure is confirmed and found to be in agreement with results of earlier work. The vertical profile of the turbulent magnetic diffusivity is found to agree with what is expected based on simple mixing length expressions,

연구 동기 및 목표

• 기층화된 난류가 태양 표면 근처에서 자기장 투과 농도 형성에 미치는 역할을 조사하는 것.
• 기층화된 대류권에서 평균 자기장 압력과 자기장 확산성에 대한 난류 기여를 규명하는 것.
• 깊은 곳의 자기장 튜브가 필요 없이 대규모 불안정성이 자기장 농도를 유도할 수 있는지 평가하는 것.
• 일정한 난류 강도와 높이에 따라 증가하는 난류 강도 프로파일 두 가지 조건에서 난류 운반 특성을 비교하는 것.
• 수치 결과를 평균장 모델링과 이론적 기대와 비교하여 검증하는 것.

제안 방법

• 약한 수평 균일 자기장이 존재하는 강한 기층화된等온 층에서 직접 수치 시뮬레이션을 수행한다.
• 테스트 필드 방법을 사용하여 두 가지 설정(일정한 난류 강도 및 높이에 따라 증가하는 난류 강도)에서 난류 자기장 확산성과 운반 속도를 계산한다.
• 난류 기여가 효과적 평균 자기장 압력에 미치는 수직 프로파일을 분석한다.
• 자기장 확산성에 대한 혼합길이 표현 기반 이론적 예측과 시뮬레이션 결과를 비교한다.
• 난류가 존재하는 조건에서 대규모 불안정성이 발생할 가능성을 평가하기 위해 평균장 수치 모델을 구현한다.
• 기울어진 밀도를 가진 기층화된 영역을 사용하여 태양 대류권 조건을 시뮬레이션한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기층화된 대류권 내 난류가 효과적 평균 자기장 압력에 음의 기여를 하는가? 이는 자기장 농도를 유도할 수 있는가?
• RQ2 난류 강도 프로파일에 따라 난류 자기장 확산성의 수직 프로파일은 어떻게 달라지는가?
• RQ3 난류 운반과 확산성이 표면 근처에서 대규모 불안정성을 유도하여 자기장 농도를 가능하게 하는가?
• RQ4 시뮬레이션 결과가 자기장 확산성에 대한 혼합길이 이론 예측과 어느 정도 일치하는가?
• RQ5 기존의 자기장 튜브 상승 모델에 비해, 표면 자기장 농도가 난류에 의해 유도되는 이 대체 메커니즘은 타당한가?

주요 결과

• 효과적 평균 자기장 압력에 대한 음의 난류 기여가 확인되어 대규모 자기장 농도 불안정성이 가능하다는 것을 지지한다.
• 난류 자기장 확산성의 수직 프로파일이 단순한 혼합길이 표현에 의한 예측과 정량적으로 일치한다.
• 일정한 난류 강도와 높이에 따라 증가하는 난류 강도 설정 모두에서 테스트 필드 방법을 통해 난류 운반 속도와 확산성을 성공적으로 계산하였다.
• 결과는 깊은 곳의 자기장 튜브가 필요 없이 난류가 표면 근처에서 자기장 농도를 유도할 수 있음을 시사한다.
• 시뮬레이션 기반 평균장 모델은 주어진 기층화 조건에서 대규모 불안정성이 가능하다고 나타낸다.
• 이 연구는 표면 자기장 농도가 난류에 의해 유도되는 메커니즘을 수치적으로 입증하며, 기존의 자기장 튜브 상승 이론에 도전한다.