Transcript Модель генерации магнитного поля Солнца “винтовым”динамо

Модель генерации
магнитного поля Солнца
“вихревым”динамо
механизмом
А. Г. Тлатов
Кисловодская Горная станция ГАО РАН
Омега-эффект
Азимутальное поле
Меридиональное поле
Для того, чтобы напряженность магнитного поля увеличилась при растяжения, скручивании и складывании
перемещение плазмы должно иметь “правильный” путь. Движения плазмы должно преобразовать
меридиональное магнитное поле в азимутальное поле. Меридиональное магнитное поле, которое
направлено с севера на юг или с юга на север. Азимутального магнитное поле направлено с востока на
запад или наоборот. Считается, что магнитные поля ведут себя как резинки. Как резинки, они могут быть
усилены если их растягивать их, крутя, и складывать их обратно на себя. Это растяжение, кручение, и
складные осуществляется движением плазмы в конвективной зоне Солнца. Процесс должен
воспроизводиться, то есть существовать обратное преобразование азимутального магнитного поля в
меридиональное. Таким образом, мы получаем цикл: меридиональное магнитное поле - азимутальное
магнитное поле - меридиональное магнитное поле - азимутальное и т.д. и т.п. Солнце может
воспроизводить магнитное поле тех пор, пока этот цикл не прерывается.
Солнечное дифференциальное вращение вытягивает магнитное поле и закручивает ее вокруг Солнца. Это
растяжение превращает меридиональное магнитного поля в азимутального магнитного поля (Омегаэффект).
Затем, происходит обратное превращение. Это делает альфа-эффект, который обусловлен
взаимодействием конвекции и вращения. Альфа-эффект преобразует азимутальное магнитное поле,
создаваемого омега-эффект и преобразует его обратно в меридиональное. Как точно это работает, в
настоящее время не понятно.
Schematic illustration of the solar
dynamo (N. Brummell).
The Babcock–Leighton mechanism of poloidal field
production from the decay of bipolar active regions
showing opposite polarity patterns in each solar
hemisphere (Babcock, 1961).
Нынешняя парадигма, как солнечного динамо работает
показано на рисунке. Стратификация плотности
приводит к тому, что солнечная конвекция становится
сильно анизотропной и характеризуется относительно
слабыми, и широкими восходящими потоками и
развитой сетью нисходящего потока (0). Турбулентные
струи нисходящих потоков обладают существенной
завихренностью и спиральностью, которые могут
усилить поле благодаря α-эффекту (1). Эти поля затем
закачиваются вниз анизотропной конвекцией и
накапливаются в тахоклине (2). Иногда течения
вытаскивают часть этого потока и возвращают его в
конвективную зону, где она может быть дополнительно
усилится и снова закачана вниз. Дифференциальное
вращение в тахоклине вытягивает и усиливает это
неорганизованное поле, в виде тороидальных трубок и
листов (3). Поле усиливается, в конечном итоге
становится неустойчивым и быстро поднимается к
поверхности (4).Силы Кориолиса, действующие на эти
всплывающие структуры закручивает их (5). Более
слабые структуры могут быть измельчены турбулентной
конвекцией в обратный поток (6). Сильные поля
(конфигурации в виде скрученных трубок) остаются на
поверхности в виде биполярных активных областей (7).
Крупномасштабное полоидальное поле может быть
сгенерировано α-эффектом (1) и турбулентной
диффузией после появления трубок (7).
Проблемы динамо:
1) В ω-динамо трудно обеспечить достаточное усиление поля вследствие
дифференциального вращения в тахоклине до значений ~105 Гс (Rempel
& Schüssler 2001).
2) Моделирование всплытия силовых трубок показало, что напряженность
магнитного поля в них д.б. не менее 10^5 Гс. Но конвективная энергия
сравнивается с магнитной у основания конвективной зоны при
равномерно распределенном магнитном поле при 10^4 Гс (Nandy, 2010)..
3) Тороидальное магнитное поле в моделях динамо формируется в виде
“листа” в то время как биполи на поверхности скорее похожи на тонкие
трубки
4) Как правило мы наблюдаем скрученные трубки новых полей на
поверхности
5) Модель Ω силовой трубки имеет противоречия с наблюдениями
6) Считается, что только небольшая доля тороидального поля всплывает к
поверхности в виде пятен. Но вопрос, что происходит с оставшимся
полем остается открытым.
7) Пересоединение магнитного поля разных полушарий через экватор не
подтверждено наблюдательными данными.
Альтернативные гипотезы
Модель генерации солнечного цикла 22-летними крутильными волнами при наличии
реликтового магнитного поля
Схема смены знака тороидального поля из работы
(Piddington, 1976, IAUS). а) Дипольное магнитное
поле расположено около изоротационных
поверхностей. b) В 22-летнем цикле силовые
магнитные линии сдвигаются к направлению экватора
или полюсов вследствие меридиональных осцилляций.
Согласно данным гелиосейсмологии, под конвективной
оболочкой на уровнях ниже величины ~0.6 радиуса
Солнца твердотельное вращение возможно. Примем
также, что реликтовое поле существует на этих глубинах.
Предположим, что основание конвективной зоны
подвержено 22-летним крутильным колебаниям, причем
на этих глубинах экватор может вращаться как быстрее,
так медленнее полярных областей. (Тлатов, 2001, 2007)
Характерные течения для вращающихся жидкостей
Формирование ячеек в результате неустойчивости Тейлора-Куэтта (Taylor–Couette)
Известно, что на конвективные движения сильно влияет быстрое вращение, которое
существует у планет-гигантов, но экспериментально изучить конвекцию во вращающейся
сфере с центральным притяжением очень нелегко. До сих пор наиболее точные
эксперименты такого рода проводили в условиях микрогравитации на околоземной орбите.
Эти опыты вместе с теоретическими расчетами и численными моделями показали, что
конвекция происходит в трубках, вытянутых вдоль оси вращения планеты и изогнутых в
соответствии с ее сферичностью. Такие конвективные ячейки за их форму прозвали
«бананами».
Конвективные валики, движимые плавучестью.
Дифференциальные интерферограммы демонстрируют сбоку картины
конвективной неустойчивости силиконового масла в прямоугольном ящике с
относительными размерами сторон 10 :4 :1, подогреваемом снизу. Ha
верхнем снимке видна классическая ситуация Рэлея-Бенара: равномерный
нагрев создает валики, параллельные более короткой стороне. На средней
фотографии разность температур, а следовательно, и амплитуда движения
возрастают в направлении справа налево. На нижней фотографии ящик
вращается относительно вертикальной оси. [Oertel, Kirchartz, 1979; Oertel,
1982а]
Предлагается модель, в которой генерация происходит из
тороидального поля в результате локальных вихрей у основания
конвективной зоны, т.е. механизмом отличным от ω-эффекта.
Пономаренко (Ponomarenko, 1973), показал,
что магнитное поле может быть сгенерировано
винтовым движением твердого, электрически
проводящего цилиндра бесконечной длины,
через бесконечно протяженной среде той же
проводимостью. Цикл самовозбуждения
включает в себя медленный диффузионный
процесс. Радиальная составляющая
магнитная поля Hr, которая зависит от
дифференциального вращения ω(r), приводит
к генерации азимутальной компоненты
магнитного поля Hq. Магнитная диффузия
производит Hr из Hq, что завершает цикл
самовозбуждения. Преобразование
магнитного поля в винтовом потоке
определяется уравнениями индукции:
H r
H r
H r
1 
1 
2 H  

 vz

   2  H r  2
,
t

z
Rm 
r 
r  
H 
t

H 

 vz
H 
z

1 
1 
2 H r 
   2 H   2

Rm 
r 
r  
Могут ли существовать конвективные ячейки в области генерации ?
Rogers, T. M., & Glatzmaier, G. A. 2005, MNRAS
Схематическая иллюстрация солнечного магнетизма с участием винтового динамо
Схематическая иллюстрация солнечного магнетизма с участием винтового динамо
Поток меридиональной циркуляции переносит полоидальное магнитное поле от
поверхностных слоев к основанию конвективной зоны (1). Вблизи солнечного тахоклина
существуют конвективные ячейки, которые приводят к скручиванию тороидального
магнитного поля имеющего конфигурацию листа, и генерации соловых локальных
силовых трубок с винтовым магнитным полем. (2). Под действием плавучести скученные
силовые трубки теряют устойчивость и всплывают к поверхности (3). Происходит отрыв,
презамыкание магнитного поля и формирование кольцевых структур, в которых
магнитное поле имеет вид скученных силовой трубки (4). В результате всплытия и
вытягивания кольцевых структур, их азимутальное магнитное поле преобразуется в
поле направленное вдоль оси. При всплытии к фотосфере, эти трубки наблюдаются как
солнечные пятна. Под фотосферой трубки имеют U-образную конфигурацию (5).
Магнитное поле силовых трубок вытягивается дифференциальным вращением в
тороидальное и переносится меридиональным потоком к полюсам и зоне генерации (6).
Далее цикл повторяется.
Являются ли магнитные поля на Солнце скрученными?
Вращение пятен
Скрученные кольцевые трубки в вихревой модели могут иметь
характерные особенности.
1. Как правило вращение ведущих и хвостовых областей биполей
должно проходить в различные направлениях
2. Вращение пятен на начальной и конечной фазах существования
может осуществляться в различных направлениях.
Вывод: Представления, что направление скручивания активных
областей является неизменным возможно не является верным.
Проверка гипотезы
Существует ли приповерхностное азимутальное (тороидальное) поле?
Угол наклона эфемерных областей имеет
два максимума, разнесенные на 180
градусов. Возможно, это является
следствием существования
приповерхностного тороидального поля.
Проверка гипотезы
Приповерхностное тороидальное поле существует!
Связь
параметров
текущего
цикла
с
амплитудой
последующего
цикла
активности,
вследствие
вытягивания полей Uбиполей в поверхностное
тороидальное поле.
Интенсивность последующего цикла
активности будет пропорциональна
интенсивности текущего цикла и
времени, при котором происходит
вытягивания остатков U-образных
трубок в новое поверхностное
тороидального поле (этап 6 на Схеме).
Это время тем больше, чем ниже
широта всплытия пятен. Выполним
следующие расчеты. Умножим
суммарную площадь ΣS пятен за цикл
на средневзвешенную широту
всплывших групп, отсчитываемую от
полюсов <θ>. При этом подсчет групп
будем вести не на всем времени жизни
группы, а однажды на момент ее
наибольшей площади. Оказывается,
что величина < θ > при этом
минимальна для 19-го цикла и
составляет 72 град.
Проблемы вихревой модели
1. Непонятно какая протяженность конвективных ячеей по азимуту
2. Как обеспечить синхронную работу разных полушарий
3. При моделировании конвективные ячейки существуют даже на
полюсах, но на полюсах нет пятен
Выводы:
Данная модель опирается на четыре гипотезы:
1) генерация происходит локальными вихрями
у основания
конвективной зоны.
2) преобразование азимутального поля в аксиальное происходит при
растяжении скрученных кольцевых силовых трубок к поверхности;
3) магнитное
поле
U-трубок
у
поверхности
вследствие
дифференциального вращения преобразуется в поверхностное
тороидальное поле;
4) меридиональный транспорт переносит тороидальное поле от
поверхности к зоне генерации.
На основе вихревой модели предложен прогностический индекс,
использующий основные параметры солнечных пятен (площадь и
широту).
B   t ~ sin() B
 ~30 nHz
t2~10 yrs