[论文解读] Torsional oscillations in the solar convection zone

Eurico Covas, Reza Tavakol+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2000

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 10

一句话总结

本文提出了一种平均场发电机模型，通过磁感应强度与较差自转之间的非线性耦合（由洛伦兹力的方位分量驱动），解释了太阳对流层中的扭转振荡。该模型重现了周期为磁场周期一半、向赤道迁移的纬向流，与日震观测中深部穿透振荡的结果一致。

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.

研究动机与目标

• 通过非线性发电机模型理解太阳对流层中观测到的扭转振荡的起源。
• 研究发电机产生的磁场所激发的洛伦兹力是否能驱动穿透至对流层的纬向流。
• 检验模型是否能重现观测到的11年周期及向赤道迁移的扭转振荡。
• 考察振荡振幅与结构对普朗特数和发电机对称性等模型参数的依赖关系。
• 为深部扭转振荡的周期提供可检验的预测，该预测与表面观测结果不同。

提出的方法

• 在球壳几何中构建二维轴对称平均场发电机模型，包含具有α效应和湍流扩散率的感应方程。
• 通过发电机产生的磁场所激发的洛伦兹力的方位分量修改角速度，引入非线性。
• 速度扰动方程包含与洛伦兹力成正比的源项，以及使用球坐标系中拉普拉斯算子的黏性扩散项。
• 采用太阳半径和基于磁扩散率的时间尺度进行无量纲化，得到无量纲参数，包括Rα、Rω和普朗特数。
• 对不同Rα、Rω和普朗特数的参数组合进行数值求解，测试奇偶对称性约束（奇对称与偶对称）。
• 生成残差旋转与纬向磁场的蝴蝶图，以与日震观测结果对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有洛伦兹力非线性的平均场发电机模型能否产生穿透至太阳对流层的扭转振荡？
• RQ2 该模型是否能重现周期约为22年的、向赤道迁移的纬向流带？
• RQ3 扭转振荡的周期是否为全球磁场周期的一半，如表面观测所示？
• RQ4 振荡的振幅与结构如何依赖于普朗特数和解的对称性？
• RQ5 该模型能否生成与当前日震反演结果匹配的纬向流扰动蝴蝶图？

主要发现

• 该模型产生周期约为11年的向赤道迁移的纬向流带，与观测到的表面扭转振荡一致。
• 扭转振荡穿透至对流层，振幅随深度增加，在普朗特数为1.0时，R = 0.84R⊙处振幅超过0.4 nHz。
• 扭转振荡的周期恰好为全球磁场周期的一半，这是当前观测尚未排除的关键可检验预测。
• 奇对称解在蝴蝶图中表现出赤道特征，但该特征在当前观测反演中未出现，尽管其随普朗特数增加而减弱。
• 偶对称解具有更大的振幅且无赤道特征，表明混合对称性解可能更符合观测。
• 模型预测对参数变化具有鲁棒性，但振幅对动量方程中均匀密度假设较为敏感。