[论文解读] Generation of mean flows in rotating anisotropic turbulence: The case of solar near-surface shear layer

A. Barekat, M. J. Käpylä+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2020

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 61被引用 5

一句话总结

本研究通过隔离非均匀性、各向异性湍流和旋转效应，在太阳近地表剪切层（NSSL）的局部笛卡尔区域中，模拟研究了旋转各向异性湍流中平均流的生成机制。研究发现，经向雷诺应力不可忽略，湍流粘度从NSSL表面到底部被抑制约50%，且NSSL仅在赤道附近形成——这挑战了忽略经向流的平均场理论。

ABSTRACT

The radial gradient of the rotation rate in the near-surface shear layer (NSSL) of the Sun is independent of latitude and radius. Theoretical mean-field models have been successful in explaining this property of the solar NSSL, while global direct convection models have been unsuccessful. We investigate reason for this discrepancy by measuring the mean flows, Reynolds stress, and turbulent transport coefficients under NSSL conditions. Simulations have minimal ingredients. These ingredients are inhomogeneity due to boundaries, anisotropic turbulence, and rotation. Parameters of the simulations are chosen such they match the weakly rotationally constrained NSSL. The simulations probe locally Cartesian patches of the star at a given depth and latitude. The depth of the patch is varied by changing the rotation rate such that the resulting Coriolis numbers<1. We measure the turbulent transport coefficient relevant for the non-diffusive and diffusive parts of the Reynolds stress and compare them with predictions of current mean-field theories. A negative radial gradient of mean flow similar to the solar NSSL is generated only at the equator where meridional flows are absent. At other latitudes the meridional flow is comparable to the mean flow corresponding to differential rotation. We also find that meridional components of the Reynolds stress cannot be ignored. Additionally, we find that the turbulent viscosity is quenched by rotation by about 50\% from the surface to the bottom of the NSSL. Our local simulations do not validate the explanation for the generation of the NSSL from mean-field theory where meridional stresses are neglected. However, the rotational dependence of turbulent viscosity in our simulations is in good agreement with theoretical prediction. Our results are in qualitative agreement with global convection simulations in that a NSSL obtained near the equator.

研究动机与目标

• 探究为何全球对流模拟无法再现太阳近地表剪切层（NSSL），而平均场理论却能成功解释。
• 在真实的NSSL条件下，检验平均场理论假设（尤其是忽略经向流和应力）的有效性。
• 在模拟局部NSSL旋转、各向异性和非均匀性的框架下，测量湍流输运系数（雷诺应力和粘度）。
• 评估湍流粘度的旋转依赖性及其与理论预测的一致性。
• 确定在无全局耦合或理想化近似的情况下，NSSL的径向差速旋转梯度是否能自洽地在局部模拟中生成。

提出的方法

• 模拟采用在不同深度和纬度的局部笛卡尔计算区域，旋转速率调整至与太阳NSSL中的科里奥利数相匹配。
• 模型包含由边界引起的非均匀性、各向异性湍流和旋转效应，仅保留最少的物理成分以隔离关键机制。
• 应用雷诺分解将平均流与脉动分量分离，从而实现对雷诺应力和湍流粘度的测量。
• 计算并比较湍流输运系数（Λ效应和粘度）与平均场理论及SOCA（剪切-旋转近似）的预测结果。
• 模拟设置允许系统性地改变旋转速率，以探究NSSL深度范围内输运性质的旋转依赖性。
• 对平均流、应力和粘度的径向与经向分量进行分析，重点关注赤道与高纬度区域的行为差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 平均场理论中忽略经向雷诺应力是否使其对太阳近地表剪切层（NSSL）的解释失效？
• RQ2 在太阳NSSL条件下，能否在局部模拟中自洽地生成具有径向差速旋转梯度 d ln Ω / d ln r ≈ −1 的真实NSSL？
• RQ3 旋转如何影响NSSL中的湍流粘度？其变化是否与理论预测的抑制效应一致？
• RQ4 在垂直速度展开中，高于V(0)阶的项（超出零阶）在NSSL中对角动量输运的贡献有多大？
• RQ5 为何全球模拟无法生成NSSL？这种失败是否源于缺失的经向动力学或输运物理机制？

主要发现

• 仅在赤道区域，当经向流不存在时，才生成了平均流的负径向梯度，表明NSSL具有赤道局域化特征。
• 雷诺应力的经向分量显著，不可忽略，建模NSSL时不能忽略，这与平均场理论的关键假设相矛盾。
• 由于旋转效应，湍流粘度从NSSL表面到底部被抑制约50%，与理论预测高度一致。
• 垂直雷诺应力导致角动量的向内径向输运，但其分布偏离理论预期，表明需在速度展开中引入更高阶项。
• 粘度的旋转抑制效应在定性上与理论模型一致，但假设垂直速度展开中仅V(0)占主导的假设在NSSL中不成立。
• 在模拟中，NSSL仅在赤道附近形成，与全球对流模拟和观测结果一致，但与忽略经向动力学的平均场模型不一致。