[论文解读] Vortices evolution in the solar atmosphere: A dynamical equation for the swirling strength

J. R. Canivete Cuissa, O. Steiner|arXiv (Cornell University)|May 26, 2020

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 35被引用 4

一句话总结

该论文推导出首个关于涡丝强度（swirling strength）的解析演化方程——在湍流中比涡度更精确的涡旋识别准则——并将其应用于太阳大气的辐射磁流体动力学（MHD）模拟。主要贡献在于识别出在对流层和光球层中，流体和磁场的非均匀性（baroclinicities）是涡旋生成的主要驱动力，而在色球层中，仅磁场项主导了涡丝强度的生成，且在磁场通量集中区域以小尺度混沌方式产生。

ABSTRACT

We study vortex dynamics in the solar atmosphere by employing and deriving the analytical evolution equations of two vortex identification criteria. The two criteria used are vorticity and the swirling strength. Vorticity can be biased in the presence of shear flows, but its dynamical equation is well known; the swirling strength is a more precise criterion for the identification of vortical flows, but its evolution equation is not known yet. Therefore, we explore the possibility of deriving a dynamical equation for the swirling strength. We then apply the two equations to analyze radiative MHD simulations of the solar atmosphere produced with the CO5BOLD code. We present a detailed review of the swirling strength criterion and the mathematical derivation of its evolution equation. This equation did not exist in the literature before and it constitutes a novel tool that is suitable for the analysis of a wide range of problems in (magneto-)hydrodynamics. By applying this equation to numerical models, we find that hydrodynamical and magnetic baroclinicities are the driving physical processes responsible for vortex generation in the convection zone and the photosphere. Higher up in the chromosphere, the magnetic terms alone dominate. Moreover, we find that the swirling strength is produced at small scales in a chaotic fashion, especially inside magnetic flux concentrations. The swirling strength represents an appropriate criterion for the identification of vortices in turbulent flows, such as those in the solar atmosphere. Moreover, its evolution equation, which is derived in this paper, is pivotal for obtaining precise information about the dynamics of these vortices and the physical mechanisms responsible for their production and evolution. Since this equation is available, the swirling strength is now the ideal quantity to study the dynamics of vortices in (magneto-)hydrodynamics.

研究动机与目标

• 为解决由于剪切流偏倚，导致涡度在湍流太阳流中作为涡旋识别准则的局限性。
• 开发一种稳健且具有物理解释基础的替代准则，用于基于涡丝强度的涡旋检测。
• 推导出（磁流体）动力学中首个关于涡丝强度的解析演化方程。
• 将该方程应用于辐射MHD模拟，以识别驱动太阳大气中涡旋形成与演化的主导物理机制。
• 实现对太阳等离子体中涡旋更精确的动力学分析，特别是在磁龙卷和能量传输的背景下。

提出的方法

• 利用动量方程和速度梯度张量分解，推导涡丝强度的演化方程。
• 将推导出的方程应用于使用 CO 5 BOLD 代码生成的三维辐射MHD模拟。
• 利用模拟中的速度场和磁场数据，在每个空间点和时间步长上计算涡丝强度方程中的所有项。
• 分析不同大气层中源项（如非均匀性、磁张力）的空间分布及其相对重要性。
• 通过在三个特征高度处可视化涡丝强度方程各项的水平截面，揭示空间分布模式和尺度结构。
• 将涡丝强度的动力学与涡度进行比较，以评估涡旋识别的可靠性以及剪切流的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在太阳对流层和光球层中，导致涡丝强度生成的主要物理机制是什么？
• RQ2 与涡度相比，涡丝强度的生成在主导源项方面有何不同？
• RQ3 在色球层中，磁非均匀性和磁张力项在涡丝强度演化中的贡献程度如何？
• RQ4 在太阳大气的哪个区域，涡丝强度的生成最为强烈，其生成的空间结构如何？
• RQ5 在湍流且具有强磁场的环境中，涡丝强度准则是否比涡度更能可靠地检测到涡旋？

主要发现

• 在对流层和光球层中，流体和磁场的非均匀性是垂直涡丝强度生成的主要物理过程。
• 在色球层中，仅磁场项主导了涡丝强度的生成，其分布比光球层更趋于各向同性和广泛分布。
• 涡丝强度在小尺度上以混沌且零散的方式生成，尤其是在磁场通量集中区域。
• 涡丝强度的生成常涉及流体和磁场非均匀性项的相反贡献，可在局部发生相互抵消。
• 在色球层中，磁张力和磁非均匀性对涡丝强度演化的贡献相等，这与涡度动力学中张力占主导地位的情况不同。
• 涡丝强度生成的空间结构呈现出小尺度、反向排列的斑块，暗示其可能与湍流运动或扭转阿尔芬波有关。