[论文解读] Effect of stratified turbulence on magnetic flux concentrations

Axel Brandenburg, Koen Kemel+2 more|arXiv (Cornell University)|May 31, 2010

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 5被引用 2

一句话总结

本研究通过直接数值模拟，分析湍流对平均磁压和磁扩散率的贡献，探究分层湍流如何影响太阳对流层中的磁通量集中。研究证实了有效平均磁压存在负的湍流贡献，且湍流扩散率分布与混合长理论一致，支持表面磁通量集中可通过湍流驱动的不稳定性形成，而非依赖深层磁通量管的观点。

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,

研究动机与目标

• 探究分层湍流在太阳表层附近磁通量集中形成中的作用。
• 确定分层对流层中湍流对平均磁压和磁扩散率的贡献。
• 评估大尺度不稳定性是否可在无需深层磁通量管的情况下驱动磁通量集中。
• 比较两种不同湍流强度分布下的湍流输运特性：恒定分布与随高度增加的分布。
• 将数值结果与平均场建模及理论预期进行验证。

提出的方法

• 在强分层等温层中进行直接数值模拟，施加弱均匀水平平均磁场。
• 采用测试场方法计算两种设置下的湍流磁扩散率和泵吸速度：湍流强度恒定和随高度增加。
• 分析湍流对有效平均磁压的垂直分布贡献。
• 将模拟结果与基于磁扩散率混合长表达式的理论预测进行比较。
• 构建平均场数值模型，评估在湍流存在下大尺度不稳定的潜在性。
• 采用密度随高度减小的分层区域，以模拟太阳对流层条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 分层对流层中的湍流是否对有效平均磁压产生负贡献，从而促进磁通量集中？
• RQ2 湍流磁扩散率的垂直分布如何依赖于湍流强度的分布？
• RQ3 湍流泵吸与扩散率是否能支持导致表层附近磁通量集中的大尺度不稳定性？
• RQ4 模拟结果在多大程度上与磁扩散率的混合长理论预测一致？
• RQ5 与传统的磁通量管上升模型相比，通过湍流驱动的表面磁通量集中这一替代机制是否具有可行性？

主要发现

• 确认了有效平均磁压存在负的湍流贡献，支持大尺度磁通量集中不稳定性的可能性。
• 湍流磁扩散率的垂直分布与简单混合长表达式的预测在定量上一致。
• 在湍流强度恒定和随高度增加的两种设置下，成功利用测试场方法计算出湍流泵吸速度和扩散率。
• 结果表明，湍流可在无需深层磁通量管的情况下驱动表层附近的磁通量集中。
• 基于模拟结果的平均场模型表明，在给定分层条件下大尺度不稳定性是可能的。
• 本研究提供了数值证据，表明表面磁通量集中可通过湍流驱动机制形成，对传统磁通量管上升范式提出了挑战。