[論文レビュー] Eigenoscillations of the Differentially Rotating Sun: I. 22-year, 4000-year, and quasi-biennial modes

N. S. Dzhalilov, J. Staude+1 more|ArXiv.org|Jan 9, 2002

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 48被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、太陽の非一様に回転する放射層内部における逆行的ロスビー様固有振動モード（Rモード）が、長期にわたる太陽および地球環境の気候変動を駆動すると提案する。圧縮性、非断熱性、放射損失を考慮した漸近的手法を用い、周期が約1–3年、18–30年、1500–20,000年の3つの異なる不安定なRモード族を同定した。これらは観測された22年周期、準2年周期、ダンスガード＝オシュガー型気候周期と一致し、太陽活動および気候強制要因を説明する非ダイナモ機構を提示する。

ABSTRACT

Retrograde waves with frequencies much lower than the rotation frequency become trapped in the solar radiative interior. The eigenfunctions of the compressible, nonadiabatic, Rossby-like modes ($ε$-mechanism and radiative losses taken into account) are obtained by an asymptotic method assuming a very small latitudinal gradient of rotation, without an arbitrary choice of other free parameters. An integral dispersion relation for the complex eigenfrequencies is derived as a solution of the boundary value problem. The discovered resonant cavity modes (called R-modes) are fundamentally different from the known r-modes: their frequencies are functions of the solar interior structure, and the reason for their existence is not related to geometrical effects. The most unstable R-modes are those with periods of 1--3 yr, 18--30 yr, and 1500--20000 yrs; these three separate period ranges are known from solar and geophysical data. The growing times of those modes which are unstable with respect to the $ε$-mechanism are $\approx 10^2, 10^3,$ and $10^5$ years, respectively. The amplitudes of the R-modes are growing towards the center of the Sun. We discuss some prospects to develop the theory of R-modes as a driver of the dynamics in the convective zone which could explain, e.g., observed short-term fluctuations of rotation, a control of the solar magnetic cycle, and abrupt changes of terrestrial climate in the past.

研究の動機と目的

• 観測された太陽および地球物理学的周期を説明できる可能性を有する、非一様に回転する太陽内部における長周期固有振動モードを特定・特徴づけること。
• 現実的な太陽の回転勾配を有する圧縮性・非断熱的・放射減衰系におけるロスビー様モード（Rモード）の理論的枠組みを構築すること。
• これらのRモードが22年周期の磁気サイクル、準2年周期振動、およびダンスガード＝オシュガーイベントのような急激な気候変動を説明できるかどうかを検証すること。
• これらのモードが自己駆動型ダイナモではなく、太陽活動および表面磁気フラックスの出現を駆動する可能性を検討すること。
• 太陽内部構造および回転プロファイルに依存する、自由パrameterを含まない複素固有周波数の積分分散関係を導出し、Rモードの安定性をε機構および放射損失を用いて評価すること。

提案手法

• 小規模な経度方向回転勾配を有する非一様に回転する太陽内部における圧縮性・非断熱的流体力学方程式の境界値問題を解くために、漸近的手法を適用した。
• モードの安定性を評価するために、ε機構（非一様回転からのエネルギー源）および放射損失を固有値問題に組み込んだ。
• 太陽内部構造および回転プロファイルにのみ依存し、任意の自由パrameterを含まない、複素固有周波数の積分分散関係を導出した。
• 正規化速度（1.6 km/sに規格化）を用いたデカルト座標系を採用し、β > 0（極方向に角速度が減少）を仮定することで、逆行的波動伝播の解析を可能にした。
• 2次元境界値問題を解き、k_y が k_x、ω、β に依存する正確な依存関係を特定した。k_y² ≈ -k_x² などの粗い近似を回避した。
• 位相速度および群速度の分析によりエネルギー輸送の方向を評価し、逆行的Rモードが回転方向に伝播することを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽の放射層内部における長周期固有振動モードが、22年周期の磁気サイクルおよび他の観測された準周期的現象を説明できるか？
• RQ2 これらの低周波モードの物理的起源および安定化機構は何か？標準的なrモードとはどのように異なるか？
• RQ3 同定されたRモードの成長 timescale が、観測された太陽および気候サイクルの周期と一致するか？
• RQ4 これらのモードが、自己駆動型ダイナモや極端な磁場を必要とせずに、表面磁気活動を駆動できるか？
• RQ5 約4500年周期のRモード不安定性と、ダンスガード＝オシュガー気候イベントの発生タイミングとの間に相関があるか？

主な発見

• 1–3年、18–30年、1500–20,000年という特徴的な周期を有する3つの異なる不安定Rモード族が同定され、観測された太陽および地球物理学的周期と一致した。
• 最も不安定なRモードは、それぞれ1–3年、18–30年、1500–20,000年周期のモードに対して、成長時間が約10²年、10³年、10⁵年であることが判明した。
• Rモードの振幅は太陽中心に向かって増大しており、エネルギーが内部から供給され、径方向内向きに増幅されていることを示している。
• これらのモードはrモードとは本質的に異なる：その存在は幾何的効果ではなく、太陽内部構造およびε機構に依存している。
• 4500年周期のモードは最大の成長率を示し、観測されたダンスガード＝オシュガー気候イベントの平均再発間隔と一致した。
• ヘルモセイズミーで観測された準2年周期振動（1.3年）および22年周期は、従来のダイナモを必要としない同一のRモードフレームワークによって説明可能である。