[논문 리뷰] Nonlinear Solar Dynamo Model with Magnetic Helicity

Irina Kitiashvili, А. Г. Косовичев|arXiv (Cornell University)|2008. 07. 20.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 1인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 태양활동주기의 관측된 특성, 예를 들어 비대칭적인 상승 및 감소 단계와 혼돈적인 행동을 더 잘 재현하기 위해 난류 자기화이성량을 포함한 비선형 다이내모 모델을 제안한다. 고전적인 페일러 모델과는 달리, 자기화이성량 억제를 포함한 클리오린-르즈마이킨 모델은 관측된 sunspot 수 변동과 정성적으로 일치하는 주기적이고 혼돈적인 해를 성공적으로 생성한다. 이는 주기의 진폭과 상승 시간 사이의 역관계를 포함한다.

ABSTRACT

Variations of the sunspot number are important indicators of the solar activity cycles. The sunspot formation is a result of a dynamo process inside the Sun, which is far from being understood. We use simple dynamical models of the dynamo process to simulate the magnetic field evolution and investigate general properties of the sunspot number variations during the solar cycles. We have found that the classical Parker's model with a standard kinetic helicity quenching cannot represent the typical profiles of the solar-cycle variations of the sunspot number, and also does not give chaotic solutions. For modeling of the solar cycle properties we use a nonlinear dynamo model of Kleeorin and Ruzmaikin (1982), which takes into account dynamics of the turbulent magnetic helicity. We have obtained a series of periodic and chaotic solutions for different layers of the convective zone. The solutions qualitatively reproduce some basic observational features of the solar cycle properties, in particular, the relationship between the growth time and the cycle amplitude. Also, on the longer time scale the dynamo model with the magnetic helicity has intermittent solutions, which may be important for modeling long-term variations of the solar cycles.

연구 동기 및 목표

• 고전적인 페일러 다이내모 모델이 왜 태양활동주기의 비대칭적인 상승 및 감소 프로파일을 재현하지 못하는지 조사하기 위해
• 난류 자기화이성량 역학을 통합함으로써 태양활동주기 시뮬레이션의 현실성 향상 여부 테스트하기 위해
• 자기화이성량 억제의 포함 여부가 관측된 태양 변동성과 일치하는 혼돈적 해를 가능하게 하는지 확인하기 위해
• 1755년에서 2007년까지의 관측 데이터와 비교하여 시뮬레이션된 주기 특성—예를 들어 진폭, 상승 시간, 감소 시간—을 분석하기 위해

제안 방법

• 완전한 자기유체역학 방정식을 저차원 동역학계 접근법을 통해 결합된 비선형 상미분방정식의 집합으로 단순화한다.
• 난류 자기화이성량의 보존 및 진화를 명시적으로 포함한 클리오린-르즈마이킨 다이내모 형태를 사용한다.
• 표준 운동학적 자기화이성량 억제 대신 자기화이성량 억제를 위한 자유 매개변수를 도입한다.
• 다양한 매개변수 조합에 대해 수치적으로 시스템을 풀어 주기적 및 혼돈적 영역을 탐색한다.
• 국립지질물리데이터센터에서 제공한 1755~2007년까지의 월간 관측 데이터와 시뮬레이션된 sunspot 수 변동을 비교한다.
• 모델 출력과 관측 데이터 양쪽에 동일한 절차를 적용하여 상승 시간, 감소 시간, 주기 지속 시간 등의 주기 특성을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 난류 자기화이성량을 포함한 비선형 다이내모 모델이 관측된 태양활동주기의 비대칭적인 상승 및 감소 프로파일을 재현할 수 있는가?
• RQ2 자기화이성량 억제의 포함 여부가 고전적인 페일러 모델과 달리 저차원 다이내모 모델에서 혼돈적 해를 가능하게 하는가?
• RQ3 시뮬레이션된 주기 진폭과 상승/감소 시간 간의 관계가 관측 데이터와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 모델의 주기적 및 간헐적인 해가 장기적인 태양활동주기 변동성을 어느 정도 반영하는가?

주요 결과

• 표준 운동학적 자기화이성량 억제를 사용하는 고전적인 페일러 다이내모 모델은 저차원 근사에서 비대칭적인 상승 및 감소 프로파일이나 혼돈적 해를 생성하지 못한다.
• 자기화이성량 억제를 포함한 클리오린-르즈마이킨 모델은 주기적 해와 혼돈적 해를 모두 생성하며, 빠른 상승과 느린 감소를 포함한 일반적인 태양활동주기 프로파일을 정성적으로 재현한다.
• 혼돈적 해에서는 토로이드럴 자기장의 피크가 벡터 포텐셜과 자기화이성량의 피크와 강하게 상관관계를 보이며, 복잡한 비선형 역학을 나타낸다.
• 시뮬레이션된 주기에서는 진폭과 상승 시간 사이에 명백한 역관계가 나타나며, 1755년에서 2007년까지의 관측 결과와 일치한다.
• 감소 시간과 주기 지속 시간은 시뮬레이션과 관측 모두에서 진폭과 약한 상관관계를 보이며, 실제 태양활동주기 행동과 일치한다.
• 모델의 장기적 시간스케일에서의 간헐적 행동은 장기적인 태양활동주기 변동, 예를 들어 대규모 최소기나 최대기 현상을 설명하는 데 도움이 될 수 있다.