Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Dao động xoắn trong một động lực toàn cầu của mặt trời
Tóm tắt
Chúng tôi mô tả và phân tích các dao động xoắn quay phát triển trong một mô phỏng động lực học từ tính lớn (Ghizaru, Charbonneau, và Smolarkiewicz, Astrophys. J. Lett. 715, L133, 2010; Racine et al., Astrophys. J. 735, 46, 2011) tạo ra một trường từ lớn quy luật đối xứng dọc, trải qua các đảo ngược cực tính theo chu kỳ. Được thúc đẩy bởi nhiều đặc điểm giống như mặt trời mà các dao động này thể hiện, chúng tôi tiến hành phân tích động lực học zonal quy mô lớn. Chúng tôi chứng minh rằng các dao động xoắn mô phỏng không chủ yếu được kích thích bởi mô-men xoắn từ quy mô lớn biến đổi theo chu kỳ, như người ta có thể kỳ vọng, mà thông qua sự điều biến từ tính của việc vận chuyển moment động lượng bởi dòng chảy theo meridional quy mô lớn. Kết quả này được xác nhận qua phân tích năng lượng đơn giản. Chúng tôi cũng phát hiện một sự chuyển tiếp khá rõ nét trong động lực học quay diễn ra khi người ta di chuyển từ đáy các lớp đối lưu đến đáy lớp cắt mỏng nhựa tachocline giống như được hình thành trong các lớp chất lỏng phân lớp ổn định ngay phía dưới. Chúng tôi kết thúc bằng việc thảo luận về các hệ quả của các phân tích của chúng tôi liên quan đến cơ chế bão hòa biên độ trong động lực toàn cầu hoạt động trong mô phỏng, và suy đoán về giá trị tiền tố khả dĩ của các dao động xoắn cho sự dự đoán các đặc trưng của chu kỳ mặt trời.
Từ khóa
Tài liệu tham khảo
Boris, J.P., Book, D.L.: 1973, Flux-corrected transport. I. SHASTA, a fluid transport algorithm that works. J. Comput. Phys. 11, 38. doi: 10.1016/0021-9991(73)90147-2 .
Brown, B.P., Browning, M.K., Brun, A.S., Miesch, M.S., Toomre, J.: 2008, Rapidly rotating suns and active nests of convection. Astrophys. J. 689, 1354 – 1372. doi: 10.1086/592397 .
Browning, M.K., Miesch, M.S., Brun, A.S., Toomre, J.: 2006, Dynamo action in the solar convection zone and tachocline: pumping and organization of toroidal fields. Astrophys. J. Lett. 648, L157 – L160. doi: 10.1086/507869 .
Brun, A.S., Miesch, M.S., Toomre, J.: 2004, Global-scale turbulent convection and magnetic dynamo action in the solar envelope. Astrophys. J. 614, 1073 – 1098. doi: 10.1086/423835 .
Brun, A.S., Toomre, J.: 2002, Turbulent convection under the influence of rotation: sustaining a strong differential rotation. Astrophys. J. 570, 865 – 885. doi: 10.1086/339228 .
Christensen-Dalsgaard, J.: 2002, Helioseismology. Rev. Mod. Phys. 74, 1073 – 1129. doi: 10.1103/RevModPhys.74.1073 .
Dikpati, M., Gilman, P.A., de Toma, G., Ulrich, R.K.: 2010, Impact of changes in the Sun’s conveyor-belt on recent solar cycles. Geophys. Res. Lett. 37, 14107. doi: 10.1029/2010GL044143 .
Domaradzki, J.A., Xiao, Z., Smolarkiewicz, P.K.: 2003, Effective eddy viscosities in implicit large eddy simulations of turbulent flows. Phys. Fluids 15, 3890 – 3893. doi: 10.1063/1.1624610 .
Fan, Y.: 2009, Modeling the subsurface evolution of active-region flux tubes. In: Dikpati, M., Arentoft, T., González Hernández, I., Lindsey, C., Hill, F. (eds.) Solar-Stellar Dynamos as Revealed by Helio- and Asteroseismology: GONG 2008/SOHO 21 CS-416, Astron. Soc. Pac., San Francisco, 489.
Ghizaru, M., Charbonneau, P., Smolarkiewicz, P.K.: 2010, Magnetic cycles in global large-eddy simulations of solar convection. Astrophys. J. Lett. 715, L133,– L137. doi: 10.1088/2041-8205/715/2/L133 .
Gilman, P.A.: 1983, Dynamically consistent nonlinear dynamos driven by convection in a rotating spherical shell. II – Dynamos with cycles and strong feedbacks. Astrophys. J. Suppl. 53, 243 – 268. doi: 10.1086/190891 .
Gilman, P.A., Miller, J.: 1981, Dynamically consistent nonlinear dynamos driven by convection in a rotating spherical shell. Astrophys. J. Suppl. 46, 211 – 238. doi: 10.1086/190743 .
Gilman, P.A., Morrow, C.A., DeLuca, E.E.: 1989, Angular momentum transport and dynamo action in the Sun – Implications of recent oscillation measurements. Astrophys. J. 338, 528 – 537. doi: 10.1086/167215 .
Grinstein, F.F., Margolin, L.G., Rider, W.J.: 2007, In: Grinstein, F.F., Margolin, L.G., Rider, W.J. (eds.) Implicit Large Eddy Simulation: Computing Turbulent Fluid Dynamics, Cambridge University Press, Cambridge. doi: 10.1017/CBO9780511618604 .
Hill, F., Howe, R., Komm, R., Christensen-Dalsgaard, J., Larson, T.P., Schou, J., Thompson, M.J.: 2011, Large-scale zonal flows during the solar minimum – where is cycle 25? Bull. Am. Astron. Soc., 1610.
Howard, R., Labonte, B.J.: 1980, The sun is observed to be a torsional oscillator with a period of 11 years. Astrophys. J. Lett. 239, L33 – L36. doi: 10.1086/183286 .
Howe, R.: 2009, Solar interior rotation and its variation. Living Rev. Solar Phys. 6, 1. http://solarphysics.livingreviews.org/Articles/lrsp-2009-1/ , consulted in May 2011.
Käpylä, P.J., Korpi, M.J., Brandenburg, A., Mitra, D., Tavakol, R.: 2010, Convective dynamos in spherical wedge geometry. Astron. Nachr. 331, 73. doi: 10.1002/asna.200911252 .
Margolin, L.G., Smolarkiewicz, P.K., Sorbjan, Z.: 1999, Large-eddy simulations of convective boundary layers using nonoscillatory differencing. Physica D, Nonlinear Phenom. 133, 390 – 397. doi: 10.1016/S0167-2789(99)00083-4 .
Margolin, L.G., Smolarkiewicz, P.K., Wyszogradzki, A.A.: 2006, Dissipation in implicit turbulence models: a computational study. J. Appl. Mech. 73, 469 – 473. doi: 10.1115/1.2176749 .
Miesch, M.S., Brun, A.S., Toomre, J.: 2006, Solar differential rotation influenced by latitudinal entropy variations in the tachocline. Astrophys. J. 641, 618 – 625. doi: 10.1086/499621 .
Miesch, M.S., Elliott, J.R., Toomre, J., Clune, T.L., Glatzmaier, G.A., Gilman, P.A.: 2000, Three-dimensional spherical simulations of solar convection. I. Differential rotation and pattern evolution achieved with laminar and turbulent states. Astrophys. J. 532, 593 – 615. doi: 10.1086/308555 .
Mitchell, W.M.: 1916, The history of the discovery of the solar spots. Pop. Astron. 24, 562.
Passos, D., Charbonneau, P., Beaudoin, P.: 2012, An exploration of non-kinematic effects in flux transport dynamos. Solar Phys. 279, 1 – 22. doi: 10.1007/s11207-012-9971-2 .
Prusa, J.M., Smolarkiewicz, P.K., Wyszogrodzki, A.A.: 2008, EULAG, a computational model for multiscale flows. Comput. Fluids 37, 1193 – 1207. doi: 10.1016/j.compfluid.2007.12.001 .
Racine, É., Charbonneau, P., Ghizaru, M., Bouchat, A., Smolarkiewicz, P.K.: 2011, On the mode of dynamo action in a global large-eddy simulation of solar convection. Astrophys. J. 735, 46. doi: 10.1088/0004-637X/735/1/46 .
Schüssler, M.: 1981, The solar torsional oscillation and dynamo models of the solar cycle. Astron. Astrophys. 94, L17.
Smolarkiewicz, P.K.: 2006, Multidimensional positive definite advection transport algorithm: An overview. Int. J. Numer. Methods Fluids 50, 1123 – 1144. doi: 10.1002/fld.1071 .
Smolarkiewicz, P.K., Charbonneau, P.: 2012, EULAG, a computational model for multiscale flows: an MHD extension. J. Comput. Phys. submitted.
Smolarkiewicz, P.K., Margolin, L.G.: 1998, MPDATA: a finite-difference solver for geophysical flows. J. Comput. Phys. 140, 459 – 480. doi: 10.1006/jcph.1998.5901 .
Smolarkiewicz, P.K., Margolin, L.G.: 2007, Studies in geophysics. In: Grinstein, F.F., Margolin, L.G., Rider, W.J. (eds.) Implicit Large Eddy Simulation: Computing Turbulent Fluid Dynamics, Cambridge University Press, Cambridge, 413 – 438. doi: 10.1017/CBO9780511618604 .
Smolarkiewicz, P.K., Prusa, J.M.: 2002, Forward-in-time differencing for fluids: Simulations of geophysical turbulence. In: Drikakis, D., Guertz, B.J. (eds.) Turbulent Flow Computation, Kluwer Academic, Dordrecht, 279 – 312.
Ulrich, R.K.: 2010, Solar meridional circulation from Doppler shifts of the Fe I Line at 5250 Å as measured by the 150-foot Solar Tower Telescope at the Mt. Wilson Observatory. Astrophys. J. 725, 658 – 669. doi: 10.1088/0004-637X/725/1/658 .
Woodward, P., Colella, P.: 1984, The numerical simulation of two-dimensional fluid flow with strong shocks. J. Comput. Phys. 54, 115 – 173. doi: 10.1016/0021-9991(84)90142-6 .
Yoshimura, H.: 1981, Solar cycle Lorentz force waves and the torsional oscillations of the Sun. Astrophys. J. 247, 1102 – 1112. doi: 10.1086/159120 .