The clustering of polarity reversals of the geomagnetic field
在自然界中，非齐次随机点过程的时间分布通常可以建模为具有可变速率的更新泊松过程的实现。在这里，我们调查的经典例子之一，即时间分布的极性反转的地磁场。尽管常用的基本假设，我们表明，这一过程强烈偏离泊松统计，这种失败的起源源于时间聚类的存在。我们发现，一个利维统计是能够重现古地磁数据，从而表明存在的长期相关性的基础发电机过程。
2006-03-10 astro-ph nlin.CD physics.data-an
Saturated State of the Nonlinear Small-Scale Dynamo
本文研究了无平均磁场、大磁普朗特数、不可压缩、受迫、非螺旋、均匀、各向同性的MHD湍流问题。这种类型的MHD湍流是湍流发电机的最终状态，它产生具有小规模方向逆转的折叠场。我们提出了一个模型，在该模型中，实现饱和作为一个结果的速度统计成为各向异性相对于磁褶皱的局部方向。该模型结合了削弱拉伸和准二维混合的影响，并产生了显着的协议，至少在一个尺度流的情况下，数值计算结果的磁能谱。我们推测，在数值模拟中看到的统计数据可以解释为这些折叠场和沿折叠传播的阿尔文波的叠加。
2004-03-04 astro-ph nlin.CD physics.plasm-ph
Inferring basic parameters of the geodynamo from sequences of polarity reversals
利用地球磁场的极性反转的非对称时间依赖性和各种统计特性来推断地球发电机的一些最重要的参数，其中包括有效（湍流）磁扩散率，超临界度，以及周期性强迫的相对强度，这被认为是由于米兰科维奇周期的地球轨道偏心率。一个时间步进的球对称α ^2发电机模型被用作一个反问题求解器的核心，它以下坡单纯形法的形式收敛到与古地磁数据惊人对应的解。
2008-08-25 astro-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Kinematic dynamo action in a sphere: Effects of periodic time-dependent flows on solutions with axial dipole symmetry
选择一个简单的类的流量，与特性，可能存在于地球的核心，我们研究的能力，以产生一个磁场时，允许流动的时间周期性振荡。流动特性参数化为D，代表旋转差，M，纬向环流，和C，对流卷的一个组成部分。发电机动作对这些流动参数敏感，并且在磁通量集中到小区域的大部分参数空间中异常地失效。通过在时间上改变流动参数来引入流动的振荡，从而在空间（D，M）中定义闭合轨道。时间依赖性似乎平滑通量浓度，往往增强发电机的行动。然而，当相反符号的通量集中发生在一起时，由于平滑通过抵消而破坏通量，发电机的作用可能会受到损害。通过使轨道偏离到定常流产生振荡场的区域，有可能产生地磁型反转。然而，在这种情况下，发电机的行动没有被发现是增强的时间依赖性。采用一种新的方法来解决时变特征值问题，其中通过将Floquet理论与无矩阵Krylov子空间方法相结合，我们避免了存储标准方法所需的矩阵所需的大内存要求。
2004-09-28 astro-ph physics.geo-ph physics.plasm-ph
From Small-Scale Dynamo to Isotropic MHD Turbulence
本文研究了无平均磁场、不可压缩、受迫、非螺旋、均匀、各向同性的MHD湍流问题。该问题与外部施加均匀平均场的情况有本质不同。在磁场和动能之间不存在阿尔芬波湍流那样的按尺度均分。各向同性MHD湍流是湍流发电机的终态，它产生具有小尺度方向反转的折叠场。我们建议，在各向同性MHD湍流的数值模拟中看到的统计数据可以解释为这些折叠场和Alfven-like波沿褶皱传播的叠加。
2004-12-01 astro-ph
Dynamo Action in the Solar Convection Zone and Tachocline: Pumping and Organization of Toroidal Fields
我们提出的第一个结果，从三维球壳模拟的磁发电机行动实现了湍流对流穿透向下到速跃层的旋转剪切。这使我们能够评估几个动力学要素，被认为是至关重要的太阳能全球发电机的运作，不同地涉及差分旋转造成的对流，磁泵，和放大的领域内的速跃层拉伸。模拟结果表明，较强的轴对称环形磁场（约3000 G的强度）内实现的较低的稳定层，不像在对流区的波动场占主导地位。在稳定层的环形场具有一个惊人的持久反对称宇称，在北半球的领域主要是相反的极性在南半球。相关的平均极向磁场有一个明确的偶极几何形状，但我们还没有观察到任何明显的逆转或纬度传播。这些深磁场的存在似乎稳定了对流区大部分区域中剧烈发电机作用产生的平均场的感觉。
2006-09-06 astro-ph
Determining role of Krein signature for 3D Arnold tongues of oscillatory dynamos
使用同伦家庭的平均场$α^2$ -发电机与螺旋湍流参数$α(r)=α_0+γΔα(r)$和同伦参数$β\in [0,1]$的边界本征值问题，我们表明，基础网络的恶魔点狄利克雷（理想化，$β=0$）边界条件基本上决定舞蹈的特征值，从而罗宾（物理现实，$β=1$）边界条件的发电机不稳定性的字符。在$(α_0,β,γ)-$空间中，$β=1$的Arnold舌形振荡解在$β=0$的恶魔点处结束。在恶魔点附近的3D舌，这是在一阶近似的圆锥体的空间取向，是由在圆锥体的顶点处的恶魔交叉所涉及的模式的Krein签名确定。Krein空间引起的几何形状的共振区解释了微妙的发现$α$ -配置文件导致频谱异常点，这是重要的成分，在最近的理论极性反转的地磁场。
2008-12-19 astro-ph math-ph math.DS
Nonlinear behavior of a non-helical dynamo
本文描述了磁流体动力发电机特性的三维数值计算。发电机是机械强制与泰勒-格林类型的驱动项。磁场的发展遵循从可忽略的小水平到饱和值，发生在与动能相当的磁能。虽然有一个局部的螺旋度密度，但在系统中没有整体的综合螺旋度。在饱和状态下，对于不太大的机械雷诺数，观察到持续振荡，其中动能和磁能异相变化但没有磁场反转的振荡。在这种状态下，流型表现出相当大的几何结构。随着雷诺数的增加，振荡消失，能量变得更接近稳定，但保留一些非系统的波动湍流时间依赖性。场的规则几何结构让位于空间上更无序的分布。注入和耗散尺度被识别，并在傅立叶空间中的能量传递的不同组件进行了分析，特别是在澄清的背景下，由不同的流量尺度中所发挥的作用的放大的磁场。
2004-12-02 astro-ph
The nonlinear small-scale dynamo and isotropic MHD turbulence
这是一个简要的审查的主要结果，我们最近的研究的非线性演化的小规模MHD发电机在高普朗特数制度和结构的各向同性均匀MHD湍流的饱和状态。强调了没有均匀平均场的MHD机制（如我们研究中的情况）与外部施加均匀平均场的MHD机制是根本不同的。湍流弯曲和折叠磁场线的能力导致了独特的小尺度结构的出现。的字段组织在折叠的特征长度相媲美的最大的湍流涡旋的大小与空间方向反转的电阻尺度。这些褶皱很难破坏。在非线性区域，褶皱结构与沿褶皱传播的阿尔芬波共存。强迫注入的湍流能量部分通过小尺度磁场耗散，部分通过阿尔芬波耗散。
2002-07-06 astro-ph
Global-Scale Turbulent Convection and Magnetic Dynamo Action in the Solar Envelope
太阳全球发电机的运作似乎涉及许多动力学要素。自洽MHD模拟，现实地将所有这些过程还没有计算上可行的，虽然有些元素现在可以研究与合理的保真度。在这里，我们考虑的方式，在太阳对流区的大部分湍流可压缩对流可以产生大规模的磁场通过发电机行动。我们完成了这一点，通过一系列的三维数值模拟旋转球壳内的MHD对流使用我们的ASH代码在大规模并行超级计算机。由于差分旋转是所有发电机模型中的一个关键因素，我们也在这里研究的旋转配置文件的性质，可以维持在深对流区的强磁场的建立和维护。我们发现，对流是能够保持类似太阳的角速度的档案，尽管麦克斯韦应力的影响，往往反对雷诺应力，从而减少整个对流区的纬向角速度对比度。发电机产生的磁场表现出复杂的结构和演变，径向场集中在下流通道中，而环形场组织成扭曲的带状物，这些带状物在纵向上延伸，并且达到高达5000 G的场强。流和场表现出大量的动力学和磁螺旋度，虽然系统的半球形图案只在前者明显。波动场支配着磁能，并通过洛伦兹力解释了对流动的大部分反作用。平均场相对较弱，不像太阳那样表现出系统的纬向传播或周期性的极性反转。这可能是由于缺乏速跃层。
2006-10-03 astro-ph
Galactic and extragalactic magnetic fields
评述了银河系磁场的研究现状。从无线电同步加速器数据得出的总磁场的平均（均分）强度是6 +/- 2 μ G本地和约10 +/- 3 μ G在3千秒差距银河系半径。这些值与使用本地测量的宇宙射线能谱和来自伽马射线的质子的径向变化的估计值吻合得很好。光学和同步加速器偏振数据产生4 +/- 1 μ G的局部规则场的强度，但是如果光束内的场强度波动或者如果存在各向异性场，则该值是上限。另一方面，脉冲星自转测量值仅为1.4 +/- 0.2 μ G，这是一个下限，如果规则场强度和热电子密度的波动沿路径长度是相互关联的。局部规则场可以是光学臂之间的“磁臂”的一部分。然而，规则银河场的全球结构尚不清楚。从旋转测量数据中检测到银河系中的几个大尺度场反转，但在外部星系中没有观察到类似的现象。银河场可能是年轻的发电机行动，使逆转从混沌种子场被保存下来，或发电机模式的混合物造成的逆转，或逆转是大规模的各向异性场环的签名。银河系被一个厚的射电连续辐射盘所包围，其范围与边缘螺旋星系相似。虽然薄盘中的局部场相对于平面（四极）是偶对称的，但全局厚盘场可能是偶极型的。银河系中心区域拥有高度规则的磁场，强度高达毫高斯，方向垂直于平面。
2000-12-19 astro-ph
Structure of Small-Scale Magnetic Fields in the Kinematic Dynamo Theory
嵌入湍流导电介质中的弱涨落磁场在特征尺度衰减的同时呈指数增长。在ISM和原星系等离子体中，磁Pr非常大，因此在亚粘性尺度上激发了广泛的磁涨落。我们研究的统计相关性，成立的字段模式，并表明磁场线具有折叠结构，其中大部分的规模减少是由于快速的横向场方向反转，而沿本身的字段变化的规模保持近似恒定。具体地说，我们发现，场强和场线曲率是相关的，和曲率具有固定的限制分布与散装位于曲率值相媲美的特征波数的速度场和功率尾部延伸到大的曲率值。因此，大曲率区域只占系统总体积的一小部分。我们的理论结果证实了直接数值模拟。折叠效应的含义是，当磁能接近最小湍流涡旋的磁能时，洛伦兹反反应发生。我们的结果也直接适用于随机流中物质线的统计几何问题。
2001-12-20 astro-ph cond-mat.soft nlin.CD
Abrupt global events in the Earth's history: a physics perspective
地球历史的时间轴揭示了过去5.42亿年地质记录的准周期性，在时间尺度上接近100万年。这种准周期性的起源是什么？定义地质时间尺度边界的全球事件的性质是什么？我认为，一个单一的机制是负责所有三种类型的事件：质量的波动，地磁极性逆转，海平面波动。该机制是快速的，并且涉及显著的能量释放。这种机制不太可能有天文学的原因，既因为涉及的能量，也因为它的行为准周期性。它必须在地球本身中寻找。它必须能够逆转地球的磁场。最后一个要求使它与地磁场起源的共识模型--在地球流体核心中运行的磁流体发电机--不相容。在本文的第二部分，我表明，大量的看似无关的地球物理和地质数据可以理解在一个统一的方式，如果地球的主要磁场的来源是一个~200公里厚的岩石圈，反复磁化的甲烷驱动的海洋喷发，产生海洋流动的发电机行动能力的结果。喷发是由浮力和溶解气体的出溶作用的相互作用驱动的，这些溶解气体积聚在易于停滞和缺氧的海洋水体中。极性反转、质量分离和层序边界是这些喷发的结果。与地磁的共识模型不同，这种情况与古地磁数据一致，表明“[地磁极性]反转期间的方向变化可能非常快，可能发生在从一个倾斜偶极状态到另一个倾斜偶极状态的几乎瞬间跳跃。
2018-10-26 astro-ph astro-ph.EP physics.geo-ph
Solar wind induced magnetic field around the unmagnetized Earth
地球是一个具有偶极磁场的行星，它被来自太阳的磁化等离子风所搅动。磁场保护地球表面免受高能太阳风粒子和星际宇宙射线的穿透。在过去的4亿年里，磁偶极子已经颠倒了数百次。这些极性反转对应于发电机动作的急剧崩溃。这就产生了一个问题，即对地球的大气层、气候，特别是生物圈会产生什么样的后果。运动学估计和三维等离子中性气体模拟表明，太阳风可以在以前完全未磁化的地球电离层中非常快地感应出一个磁场，其强度足以保护地球免受宇宙辐射的影响，相当于一个完整的磁力发电机的情况。
2004-04-29 astro-ph
In Situ Origin of Large Scale Galactic Magnetic Fields Without Kinetic Helicity?
大规模银河系磁场的起源和维持一直是一个长期存在且有争议的天体物理学问题。这里的替代“标准”的$\a-Ω$平均场发电机和原始理论的追求。稳定供应的超新星引起的湍流指数的总场能量，提供了一个显着的种子平均场，可以线性拉伸剪切。观察到的微高斯场将主要在一个垂直扩散时间内产生，因为只有在这段时间内，线性拉伸才能与扩散竞争。这种方法不调用指数平均场发电机增长的螺旋度$\a$ -效果，但采用湍流扩散，这限制了大规模逆转的数量。该方法可能是感兴趣的，如果螺旋度效应被抑制独立的湍流扩散。这是一个重要但目前尚未解决的问题。
1998-01-08 astro-ph
Can cellular convection in a rotating spherical shell maintain both global and local magnetic fields?
本文对旋转球壳内对流驱动磁流体发电机进行了数值模拟，球壳内的流动和磁场具有明确的结构单元。这种发电机可以被称为确定性的，与那些明确依赖于假设的湍流性质的发电机相反。从研究恒星磁性本质的角度来看，最有趣的例子表现出以下特征。在全球范围内，对流可以维持一个“一般”的磁场与符号交替的偶极分量。局部（在许多情况下，双极）磁结构与对流单体有关。分裂的局部结构变成背景场，向两极漂移。极地地区的磁场有时会发生逆转，因为“新”的背景磁场会驱逐“旧”的磁场。
2006-10-25 astro-ph
Magnetic Field Structure from Synchrotron Polarization
通过同步辐射观测到的旋涡星系的总磁场在旋臂中最强（高达\simeq 30μG）。无线电极化的程度很低;臂中的场必须大多是湍流或缠结的。偏振同步辐射表明，分辨出的规则场一般在臂间区域最强（高达\simeq 15μG），有时会形成平行于光臂的“磁臂”。几乎每个星系的场结构都是螺旋形的，即使是在缺乏旋臂的絮状和明亮的不规则类型中。在几个大质量螺旋星系中观测到的大尺度法拉第旋转模式揭示了相干规则场，正如发电机模型所预测的那样。然而，在迄今为止观测到的大多数星系中，并没有发现简单的法拉第旋转模式，要么是许多发电机模式叠加在一起，无法用现代的望远镜分辨，要么是大多数表面上规则的场实际上是各向异性的随机场，由于剪切和压缩气体流动而经常发生逆转。在具有大质量棒的星系中，偏振模式遵循气体流动。然而，在棒中的强激波周围，规则场的压缩比气体的压缩低得多;规则场从冷气体中分离出来，并且足够强以影响扩散的暖气体的流动。--银河系总磁场的平均强度在太阳附近为6μG，在银河系中心区域增加到20-40μG。银河场除了中心区域外，大部分都平行于平面。来自星的旋转测量数据表明，与外部星系不同，有几个场反转，但有些反转可能是由于附近场的扭曲。
2006-06-23 astro-ph
Simulations of small-scale turbulent dynamo
我们报告了一个广泛的数值研究的小尺度湍流发电机在大磁普朗特数Pm。Pm扫描给出了低雷诺数湍流的模型情况。我们集中在三个主题：磁能谱和饱和水平，结构的磁力线，和场强分布。主要结果有：（1）褶皱结构（2）场分布是自相似的，在运动状态下呈现对数正态分布，在饱和状态下呈现指数分布;以及（3）大部分磁能处于运动学状态中的电阻标度，并且在饱和之后保持在那里，尽管频谱变得浅得多。我们提出了一个分析模型的饱和度的基础上的想法的部分二维化的速度梯度相对于当地的方向的磁褶皱。模型预测的光谱与数值结果非常吻合。与大Re，中等Pm运行进行比较，以确认这些结果的相关性。在大Re的新功能是伸长的折叠在非线性制度从粘性规模的盒子规模和存在的中间非线性阶段的慢于指数的磁能增长伴随着增加的电阻规模和部分抑制的动能谱在惯性范围内。饱和状态的数值结果不支持按尺度平均分配之间的磁能和动能，在小尺度上有一定的过剩磁能。提出了饱和态的物理图像。
2005-01-16 astro-ph
Magnetic fields in our Galaxy: How much do we know? (II) Halo fields and the global field structure
我回顾了我们银河系的大尺度全球磁场结构，利用所有可用的信息盘场，晕场和银河系中心（GC）附近的磁场。在我们银河系的局部盘中，附近恒星的RM和色散测量（DM）数据产生的规则场强度为1.8 $μ$ G，螺距角约为$8\degr$，和一个双对称的螺旋结构。从诺玛旋臂到我们银河系的外围，至少有四次，也许是五次磁场反转。在厚盘或星系晕中，南、北星系中具有相反磁场方向的大尺度环形磁场，已被反对称的RM天空向内星系揭示。A0发电机模式场结构的特征被偶极形式的极向场的指示所加强，即RM符号的转变可能从$l\sim0\degr$转移到$l\sim+10\degr$。局部垂直场可能是偶极场的一部分。A0发电机模式的场结构惊人地继续向GC附近的区域。简而言之，银盘中的磁场具有原始性质的双对称螺旋结构，而在晕和GC附近，A0发电机似乎占主导地位，因此磁场由银盘上下方向相反的环形场和偶极形式的极向场组成。
2001-10-14 astro-ph
