[論文レビュー] Astrophysical turbulence

Axel Brandenburg, Aake Nordlund|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2009

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、星間物質および対流領域を有する星における輸送過程に及ぼす乱流の役割をレビューし、ダイナモ作用によって生成される磁場が、質量、運動量、エネルギー、磁場輸送にどのように影響を与えるかに焦点を当てる。粗粒度平均場を用いることで、元の場の記述には見られない非等方的効果や出現的現象が明らかになり、これらは質量、運動量、エネルギー、磁場輸送の本質的な変化を引き起こす。

ABSTRACT

The role of turbulence in various astrophysical settings is reviewed. Among the differences to laboratory and atmospheric turbulence we highlight the ubiquitous presence of magnetic fields that are generally produced and maintained by dynamo action. The extreme temperature and density contrasts and stratifications are emphasized in connection with turbulence in the interstellar medium and in stars with outer convection zones, respectively. In many cases turbulence plays an essential role in facilitating enhanced transport of mass, momentum, energy, and magnetic fields in terms of the corresponding coarse-grained mean fields. Those transport properties are usually strongly modified by anisotropies and often completely new effects emerge in such a description that have no correspondence in terms of the original (non coarse-grained) fields.

研究の動機と目的

• 乱流が星間系や星における質量、運動量、エネルギー、磁場輸送をどのように強化するかを検討すること。
• ダイナモ作用によって生成される磁場が、宇宙空間環境における乱流ダイナミクスに与える影響を強調すること。
• 星および星間物質における乱流行動に及ぼす極端な温度・密度対比および密度層構造の影響を分析すること。
• 粗粒度化された乱流場が、元の場の記述に存在しない新たな輸送効果を生じる仕組みを調査すること。
• 星間乱流の平均場記述において、非等方的効果および新たな現象がどのようにして出現するかを明確にすること。

提案手法

• 星間物質および外層対流領域を有する星を含む、星間系における観測的・理論的証拠をレビューすること。
• 輸送特性を分離するために、粗粒度平均場の観点から乱流を分析すること。
• 平均場理論を用いて、質量、運動量、エネルギー、磁場の乱流輸送をモデル化すること。
• 特にダイナモ生成磁場による乱流の変容が果たす役割に焦点を当てる。
• 元の非粗粒度化場に存在しない、平均場記述における非等方性および出現的効果を同定すること。
• 星間乱流を実験的・大気乱流と比較し、特に磁場の影響が顕著な相違点を強調すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 乱流は星間系において、どのようにして質量、運動量、エネルギー、磁場輸送を強化するか？
• RQ2 ダイナモによって生成される磁場は、星および星間物質における乱流輸送をどのように変容させるか？
• RQ3 極端な温度・密度対比は、星間環境における乱流行動にどのように影響を与えるか？
• RQ4 乱流の非等方性は、等方的または元の場の記述に存在しない物理的効果をどのように引き起こすか？
• RQ5 粗粒度平均場によって記述された乱流場では、元の場とは対照的にどのような出現的現象が生じるか？

主な発見

• 星間系における乱流は、粗粒度平均場の作用により、質量、運動量、エネルギー、磁場輸送を顕著に強化する。
• ダイナモ作用によって維持される磁場は、乱流輸送の性質を根本的に変容させ、新たな非等方的効果を導入する。
• 密度層構造および極端な温度・密度対比は、星および星間物質における乱流行動に強く影響を与える。
• 乱流場の粗粒度化により、元の場の記述に存在しない非等方的輸送効果およびまったく新しい現象が明らかになる。
• 平均場アプローチにより、元の非粗粒度化場に対応する直接的な対応物のない出現的輸送メカニズムが明らかになる。
• 乱流と磁場の相互作用は、非磁場系または実験的環境とは根本的に異なる輸送特性を生じる。