[논문 리뷰] Torsional oscillations in the solar convection zone

Eurico Covas, Reza Tavakol외 2명|arXiv (Cornell University)|2000. 10. 17.

Solar and Space Plasma Dynamics인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 자장과 비균일한 회전운동 사이의 비선형 결합을 통해 태양 대류권 내의 비틀림 진동을 설명하는 평균장 다이나모 모델을 제안한다. 이는 자장의 위상 성분에 의해 유도되는 루멘츠 힘의 영향을 받는다. 모델은 자기기의 주기의 반만 되는 주기로 적도 쪽으로 이동하는 세로 흐름을 재현하며, 깊이 침투하는 진동에 대한 항성진동 관측 결과와 일치한다.

ABSTRACT

Recent analysis of the helioseismic observations indicate that the previously observed surface torsional oscillations extend significantly downwards into the solar convection zone. In an attempt to understand these oscillations, we study the nonlinear coupling between the magnetic field and the solar differential rotation in the context of a mean field dynamo model, in which the nonlinearity is due to the action of the azimuthal component of the Lorentz force of the dynamo generated magnetic field on the solar angular velocity. The underlying zero order angular velocity is chosen to be consistent with the most recent helioseismic data. The model produces butterfly diagrams which are in qualitative agreement with the observations. It displays torsional oscillations that penetrate into the convection zone, and which with time migrate towards the equator. The period of these oscillations is found to be half that of the period of the global magnetic fields. This is compatible with the observed period of the surface torsional oscillations. Inside the convection zone, this is a testable prediction that is not ruled out by the observations so far available.

연구 동기 및 목표

• 비선형 다이나모 모델을 통해 태양 대류권 내에서 관측된 비틀림 진동의 기원을 이해하기 위해.
• 다이나모에 의해 생성된 자장으로부터 유도되는 루멘츠 힘이 대류권 깊이까지 침투하는 세로 흐름을 유도할 수 있는지 조사하기 위해.
• 모델이 관측된 11년 주기와 적도 쪽으로의 이동을 재현할 수 있는지 테스트하기 위해.
• 프란틀 수 및 다이나모 대칭성과 같은 모델 파라미터에 따라 진동의 진폭과 구조가 어떻게 달라지는지 조사하기 위해.
• 표면 관측과는 다를 바 있는 깊은 비틀림 진동의 주기를 예측 가능한 것으로 제시하기 위해.

제안 방법

• 구형 셸에서 축대칭 2차원 평균장 다이나모 모델을 수립하였으며, α효과와 난류 확산성을 포함한 유도 방정식을 적용하였다.
• 다이나모에 의해 생성된 자장으로부터 유도되는 루멘츠 힘의 위상 성분이 각속도에 영향을 주어 비선형성을 도입하였다.
• 속도 편차 방정식은 루멘츠 힘에 비례하는 소스 항과 구형좌표계에서 라플라스 연산자를 포함한 점성 확산 항을 포함하였다.
• 태양 반지름과 자기확산성 기반의 시간스케일을 사용하여 비차원화를 적용하였으며, Rα, Rω 및 프란틀 수를 포함한 비차원 파라미터를 도출하였다.
• Rα, Rω 및 프란틀 수의 다양한 값에 대해 수치해를 구하였으며, 기저 대칭성(홀수 및 짝수) 조건도 테스트하였다.
• 항성진동 관측 결과와 비교하기 위해 잔여 회전과 타원형 자장의 나비도를 생성하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 루멘츠 힘의 비선형성을 포함한 평균장 다이나모 모델이 태양 대류권 깊이까지 침투하는 비틀림 진동을 생성할 수 있는가?
• RQ2 모델은 관측된 약 22년 주기로 적도 쪽으로 이동하는 세로 흐름대를 재현하는가?
• RQ3 비틀림 진동의 주기는 표면에서 관측된 것과 같이 전반적인 자기기 주기의 반일까?
• RQ4 진동의 진폭과 구조는 프란틀 수와 해의 대칭성에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ5 모델은 현재 항성진동 역해석 결과와 일치하는 세로 흐름 편차의 나비도를 생성할 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 관측된 표면 비틀림 진동과 일치하는 약 11년 주기로 적도 쪽으로 이동하는 세로 흐름대를 생성한다.
• 비틀림 진동은 대류권 깊이까지 침투하며, 진폭이 깊이에 따라 증가하여 프란틀 수 = 1.0일 때 R = 0.84R⊙에서 0.4 nHz를 초과한다.
• 비틀림 진동의 주기는 전반적인 자기장 주기의 정확히 반으로, 현재 관측 결과로는 배제되지 않은 핵심 검증 가능한 예측이다.
• 홀수 대칭 해는 나비도에 적도 특징을 보이지만, 현재 관측 역해석 결과에는 존재하지 않으며, 프란틀 수가 증가함에 따라 이 특징은 약화된다.
• 짝수 대칭 해는 더 큰 진폭을 보이며 적도 특징이 없으며, 이는 혼합 대칭 해가 관측 결과와 더 잘 일치할 수 있음을 시사한다.
• 모델의 예측은 파라미터 변화에 대해 강건하지만, 밀도가 균일하다는 가정에 따라 진폭이 민감하게 영향을 받는다.