Simultaneous construction of fast equator, poleward meridional flow, and near-surface shear layer in solar magnetohydrodynamic calculation
本文通过高分辨率太阳对流区磁流体模拟同时再现快速赤道、近表面剪切层和极向子午流,揭示NSSL由近表面非旋转约束对流、剪切子午流及湍流与磁张力同科里奥利力的纬度平衡共同构建,并强调磁场的关键作用。
2025-04-08 astro-ph.SR
Oscillatory large-scale dynamos from Cartesian convection simulations
我们目前的结果,可压缩笛卡尔对流模拟和不施加剪切。在前一种情况下,发电机预计是$α^2\varOmega$类型,这通常预计与太阳有关,而后一种情况是指$α^2$发电机,这更有可能出现在更快速旋转的恒星,其差异旋转很小。我们进行了参数研究的剪切流和旋转的影响是不同的探测两种类型的发电机的相对重要性。当剪切速率与旋转速率的负比$q\equiv -S/\varOmega$在1.5和2之间时,即,当剪切和旋转强度相当时。振荡解的其他区域被发现具有小的$q$值,即,当剪切与旋转相比较弱时,以及当剪切与旋转相比非常强时,在大的负$q$ s范围内。然而,这些规则的例外情况也出现,使一个给定的比例的剪切旋转,解决方案是非振荡的小和大的剪切,但振荡的中间范围。将边界条件由垂直场改为理想导体场,发电机模式由振荡变为准稳态。此外,在许多情况下,振荡的解决方案只存在于运动制度,而在非线性阶段的平均场是平稳的。然而,有旋转和没有剪切的情况下,总是振荡的参数范围内研究和发电机模式不依赖于磁边界条件。然而,在饱和状态下的磁场的总的和大尺度分量的强度对所选择的边界条件敏感。
2013-11-18 astro-ph.SR
The subsurface-shear shaped solar $αΩ$ dynamo
我们提出了一个太阳发电机模型,它分布在对流区的大部分区域,环形磁场使通量集中在近地层。我们表明,如果在发电机区域的顶部的边界条件允许大规模的环形磁场穿透更接近表面,那么模式的模拟蝴蝶图的环形磁场在对流区的上部形成的表面旋转剪切层。该模型与观测到的太阳磁周期的性质是一致的。
2010-12-24 astro-ph.SR
Generation of shear flows and vortices in rotating anelastic convection
我们考虑层结的影响,系统的,大规模的非弹性对流产生的流动。我们提出的结果从三维数值模拟对流在旋转的平面层中的旋转轴和重力之间的角度是允许变化的。该模型代表了球体的不同纬度。我们考虑两种不同的参数制度:(i)弱旋转和(ii)快速旋转。在每一种情况下,我们研究的效果分层的流动结构和热传输特性集中在Boussinesq和滞弹性对流之间的差异。此外,我们表明,制度(一)和(二)产生非常不同的大规模流动,我们调查的作用分层在修改这些流量。分层流具有净螺旋度不存在于Boussinesq的情况下,我们建议,当结合自生剪切流,可能是重要的发电机行动。
2020-06-05 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Origin of the Near-Surface Shear Layer of Solar Rotation
本文研究太阳自转近表面剪切层的起源,指出其旋转状态源于近表面对流特征时间短于自转周期及对流湍流径向各向异性,平均场流体动力学解析推导与数值实验均验证了该机制,且该层为太阳发电机的全球子午流提供来源。
2024-02-12 astro-ph.SR
The Effect of Velocity Shear on Dynamo Action Due to Rotating Convection
最近的数值模拟发电机行动所造成的旋转对流揭示了一些严重的问题,在应用的标准图片的平均场电动力学在高值的磁雷诺数,从而强调了大规模的磁场发电机在这一制度的困难。在这里,我们考虑运动发电机过程中的旋转对流层的Boussinesq流体的附加影响的大规模水平速度剪切。剪切流的减弱增强了发电机的增长速率,并且还导致在大尺度上产生显著的磁场。通过频谱滤波技术,我们分析了主要负责发电机行动的速度模式,并表明,从全流产生的磁场依赖于速度场的尺度范围。对流体进行过滤,使剪切流和对流之间的尺度真正分离,也会导致发电机作用;然而,在这种情况下,磁场的结构与全速场产生的结构非常不同。我们还表明,发电机行动的性质是大致相似的,无论是否在没有剪切流可以支持发电机行动。
2012-11-22 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Rotational shear near the solar surface as a probe for subphotospheric magnetic fields
日震学揭示了在太阳表面之下旋转速率随着深度的增加而增加。径向切变的相对大小几乎与纬度成常数。这种旋转状态可以被解释为近地面对流的两个条件的特点的结果:对流周转时间与旋转周期和对流各向异性的水平优选方向的情况下相比,小。在存在磁场的情况下,后一个条件被违反。这就提出了一个问题,即是否可以用近地表旋转剪切的测量来探测亚光球场。剪切被证明是弱敏感的磁场,但可以作为一个探针足够强的领域的顺序为一千高斯。我们认为,红巨星扩展对流包层中的径向差异旋转与太阳近地表旋转切变是同一起源的。
2016-01-19 astro-ph.SR
A theoretical estimate of the pole-equator temperature difference and a possible origin of the near-surface shear layer
太阳对流区深层的对流运动受旋转的影响,使得对流热传输与纬度相关,但在靠近表面的顶层情况并非如此。我们利用较深层的热成风平衡条件来估计极赤道温差。对这种温差的地面观测可以用来估计对流不受旋转影响的近地层的深度。如果我们要求热成风平衡在这一层也成立,那么我们就得出这样的结论:这一定是一个强的差旋层,我们得到的它的特征与近地面切变层的观测资料大体一致。
2020-08-07 astro-ph.SR
Magnetic buoyancy instabilities in the presence of magnetic flux pumping at the base of the solar convection zone
我们进行理想化的数值模拟的磁浮力不稳定性的太阳速跃层模型。我们介绍了一个简化的磁通量泵在上层(对流区)的模型,并研究其包含在下层(辐射内部)的浮力不稳定性的演变的影响。我们研究了它对一个预先设想的磁板和剪切产生的磁层的不稳定性的影响。在前者中,我们发现,在该制度中,向下的泵送速度与阿尔芬速度的磁性层,磁通泵是能够阻止大部分的磁场,只有小口袋的强磁场能够上升到上层。在模拟中,磁层是由剪切产生的,我们发现,剪切速度不一定需要超过泵(因此,剪切的动能不需要超过叠加对流),强大的局部口袋的磁场产生,可以上升到上层。这是因为磁通量泵送作用是将磁场储存在界面下方,使其能够通过剪切和涡流流体运动被放大,直到磁场袋能够获得足够的强度上升到上层。此外,我们发现,这两个层之间的界面是一个自然的位置,在磁场的强垂直梯度的生产。如果这些梯度足够强,允许磁浮力不稳定性的发展,则不一定需要强剪切来驱动它们(参见Vasil & Brummell的作品)。我们发现,除了磁通量泵似乎能够协助剪切驱动的磁浮力产生强通量的浓度,可以上升到对流区的辐射内部。
2012-04-24 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Theories of the solar cycle : a critical view
一些既定的太阳磁周期的观点进行了批判性的讨论,重点放在两个方面的核心大多数模型:对流湍流的作用,和“速跃层”的对流区的基础上的作用。把太阳活动周期看作对流和磁场之间相互作用的表现的标准观点是错误的。太阳周期的主要成分,除了差异旋转,是相反的浮力不稳定性的磁场本身。这种关于太阳活动周期的物理学观点在20世纪50年代就已经确立,但在数学上已经被平均场湍流形式主义所掩盖,这些形式主义与观测联系不好,并且存在严重的理论问题。这种发展的文学史进行了批判性的讨论。目前假定太阳活动周期的磁场源位于“速斜带”:对流区底部的剪切带。虽然周期的方位场确实最有可能位于对流区的底部,但它不能像这些模型中假设的那样由速跃层的径向剪切提供动力,因为辐射内部不支持显著的剪切应力。相反,它必须由对流区旋转速率的纬度梯度提供动力,就像太阳周期的早期模型一样。未来可能的研究方向进行了简要讨论。
2010-04-26 astro-ph.SR
Effects of anisotropy of turbulent convection in mean-field solar dynamo models
我们研究了湍流对流的各向异性如何影响大尺度磁场的扩散和太阳上的发电机过程。在平均场磁流体力学框架中使用最小的$τ$近似计算各向异性的影响。我们研究两种类型的平均场发电机模型:著名的基准通量传输模型,和一个分布式发电机模型与地下旋转剪切层。对于这两个模型,我们调查的双细胞纬向环流的影响,最近提出的日震学。我们引入了一个各向异性参数,作为湍流混合的径向和水平强度的比值,来表征各向异性效应。研究发现,湍流对流的各向异性影响对流区内部的磁场分布。各向异性越强,对流区底部和顶部边界附近的磁通量越集中。结果表明,当各向异性参数较大时,临界发电机数和发电机周期趋于常数。各向异性减少了时间-纬度"蝴蝶“图中后续周期的环形场的重叠。如果我们假设太阳黑子是在次表层剪切层附近形成的,那么具有各向异性扩散率的分布式发电机模型满足日震学结果的观测约束,并且与从表面磁场的动态估计的有效湍流扩散值一致。
2013-11-21 astro-ph.SR
The combined effects of vertical and horizontal shear instabilities
本研究通过直接数值模拟揭示,在恒星辐射区中,当垂直剪切理查森数大于1时,垂直剪切对湍流混合动力学无影响,可被忽略,从而简化恒星演化计算中的混合系数估计。
2023-11-16 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Convectively driven shear and decreased heat flux
我们报告直接数值模拟的二维,水平周期性的瑞利-贝纳德对流,专注于其能力,以驱动大规模的水平流动,垂直剪切。对于普朗特数($Pr$)在1和10之间的模拟,这种大规模的剪切可以通过充分提高瑞利数($Ra$)引起的,我们探讨了由此产生的对流$Ra$高达$10^{10}$。当出现在我们的模拟中时,剪切平均流占总动能的很大一部分,并且这一部分趋向于作为$Ra\to\infty$的1。剪切有助于分散对流结构,它减少了垂直热通量;在参数制度,其中一个国家与大规模的剪切和一个没有都是稳定的,努塞尔数的状态与剪切是较小的,增长更缓慢的$Ra$。当大尺度切变与$Pr\lesssim2$同时存在时,对流在长时间尺度上经历强烈的全球振荡,热输送以爆发形式发生。对于$Pr=1$,在这些突发上时间平均的努塞尔数随$Ra$非单调地变化。当剪切与$Pr\gtrsim3$一起存在时,流动不会破裂,并且对流热传输始终持续。努塞尔数随后大致以$Ra$的幂增长,但增长速率比以前报道的没有大尺度剪切的瑞利-贝纳德对流的增长速率要慢。我们发现当$Pr=3$时努塞尔数与$Ra^{0.077}$成比例增长,当$Pr=10$时努塞尔数与$Ra^{0.19}$成比例增长。与托卡马克等离子体的类比。
2014-08-20 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Effects of stratification in spherical shell convection
本文报道了具有变密度分层的球楔几何结构中的轻度湍流对流的模拟。我们改变对流区内的密度对比度的一个因素为20,并研究旋转对解决方案的影响。结果表明,随着层结的增加,对流单体的尺寸减小,湍流的各向异性增强。差分旋转被发现从反太阳(慢赤道)到太阳像(快赤道)在大致相同的科里奥利数的所有分层。然而,最大的分层运行,是敏感的雷诺数的变化。近地表剪切层的证据被发现在运行与强分层和大雷诺数。
2012-04-24 astro-ph.SR
Effect of shear and magnetic field on the heat-transfer efficiency of convection in rotating spherical shells
本文研究了球壳中旋转热对流。我们的分析基础上的一组约450直接数值模拟的(磁)流体动力学方程下的Boussinesq近似。埃克曼数的范围为$10^{-3}$至$10^{-5}$。对流的超临界性在某些模型中达到约1000。四组模拟被认为是:非磁模拟和发电机模拟与自由滑动或无滑移流动边界条件。具有自由滑移边界的非磁性设置产生最强的带状流。无滑移流动边界条件的非磁性模拟和自由滑移边界的自洽发电机都大大减少了区域流动。剪切的抑制导致传热效率的显著增加,在某些情况下增加3倍。只要对流受到旋转的显著影响,就会发生这种效率提高。在较高的对流驱动下,传热效率趋向于经典的非旋转Rayleigh-Bénard系统。对外边界热流纬向分布的分析表明,在赤道地区,切变对抑制热传递是最有效的。此外,我们探讨了磁场对对流的{ \em非纬向}流分量的影响。为此,我们比较了无滑非磁性的情况下,无滑发电机模拟的传热效率。我们发现,在$E=10^{-5}$磁场显着影响对流和传热效率的最大增益约30\%(与非磁性的情况下相比),获得了约3的Elsasser数。我们的分析促使我们推测,对流在极地地区的发电机在$E=10^{-5}$可能是在一个“磁旋”制度。
2015-11-17 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Solar Interior Rotation and its Variation
本文综述了近40年来太阳内部自转及其随时间变化的观测认识的发展,从20世纪60年代试图从扁率确定太阳核心自转开始,通过日震学的发展,到从第23太阳周期间的连续日震观测中推导出的详细的现代内部自转图像。在介绍了一些基本的日震概念后,它依次涵盖了核心和辐射内部的旋转、对流区底部的“速斜”剪切层、对流区的差异旋转、近地面剪切、称为扭转振荡的带状迁移流模式,以及对流区底部可能的时间变化。对于每个领域,本文还简要探讨了观测和模型之间的关系。
2009-02-23 astro-ph.SR
Cyclic magnetic activity due to turbulent convection in spherical wedge geometry
我们报告的模拟湍流,旋转,分层,磁流体动力学对流球楔几何形状。一个初始的小规模,随机的,弱振幅的磁场被放大了几个数量级的模拟过程中,形成振荡的大规模领域中的饱和状态的发电机。差异旋转是太阳一样的(快赤道),但既不相干的纬向极向环流,也没有近地面切变层的发展,在这些运行。除了纬度50度以外的磁极分支外,我们还首次在纬度20度附近发现了明显的赤道分支,这让人想起了太阳周期。
2013-11-18 astro-ph.SR
The differential rotation of G dwarfs
计算了一系列谱型G恒星模型,研究了由平均场方程导出的自转规律。缓慢旋转的太阳、快速旋转的MOST恒星Eli和kappa 1 Cet以及快速旋转的R58和LQ Lup的旋转规律可以很容易地再现。我们还发现,在对流区的深度的差异造成很大的差异,在表面旋转法和极端的表面剪切HD 171488只能解释与人工浅对流层。我们还检验了快速旋转G矮星中的热成风平衡,发现极向亚旋转(dOmega/dz<0)是由于斜压效应,赤道超旋转(dOmega/dr>0)是由于作为雷诺应力的一部分的Lambda效应。在对流区的大部分,对流是缓慢而平稳的,热成风的平衡实际上保持在离心力和压力之间。然而,在边界剪切层中,包括雷诺应力占主导地位的赤道区域,它并不成立。
2011-01-27 astro-ph.SR
Breaking Taylor-Proudman balance by magnetic field in stellar convection zone
我们对恒星对流区进行了高分辨率的计算。本研究的主要目的是探讨一个小型发电机对差动旋转的影响。太阳差自转偏离了角速度沿自转轴不变的泰勒-普劳德曼状态。为了打破对流区深处的泰勒-普劳德曼状态,人们认为需要一个纬向熵梯度。在本研究中,我们发现小尺度发电机在恒星差旋偏离泰勒-普劳德曼态中有三个作用。1.抑制了角速度的剪切。这导致纬向熵梯度有效地打破泰勒-普劳德曼状态的情况。2.抑制上下流之间的湍流速度,增加了熵的扰动。3.对流速度降低。这增加了旋转对对流的影响。第二和第三个因素增加了纬向熵梯度,打破了泰勒-普劳德曼状态。我们发现,有效的小尺度发电机有显着的影响,恒星的差异旋转。
2018-06-05 astro-ph.SR
On the origin of the double cell meridional circulation in the solar convection zone
日震学、数值模拟和太阳差异自转平均场论的最新进展表明,对流区的每个半球可能有两个或两个以上的环流圈。根据平均场论,双胞环流型可以由太阳对流区下部的径向角动量输运的非扩散部分的符号反转(所谓的$Λ$效应)产生。在这里,我们表明,这种现象{可以导致}的径向不均匀性的科里奥利数,这取决于对流周转时间。我们证明,如果考虑到这种影响,那么太阳类差旋转和双胞纬向环流都是由平均场模型再现。该模型是一致的湍流速度的相关性的分布确定从观测跟踪运动的太阳黑子和大规模的磁场,表明这些示踪剂是植根于剪切层下面。
2018-02-05 astro-ph.SR
Spontaneous Generation of delta-sunspots in Convective Magnetohydrodynamic Simulation of Magnetic Flux Emergence
观测表明,强烈的太阳耀斑和日冕物质抛射往往发生在以三角黑子、黑子旋转、剪切极性反转线(PIL)和磁通量绳为特征的复杂活动区。在这里,我们报告的第一个模型的自发三角洲斑点的产生作为一个结果,从湍流对流区的通量出现。利用国家的最先进的辐射磁流体动力学代码R2D2,我们模拟的出现,在对流区,延伸到-140 Mm。升高的大规模对流上升流,管出现在光球作为两个新兴的两极。由于地下连通性,相反的极性相互碰撞,并发展成一对紧密堆积的三角洲点。洛伦兹力驱动点的旋转和10 km/s的强逆流,在三角洲点的PIL,这与当地对流,加强水平场到4 kG,并建立一个高度剪切PIL。在PIL上方的大气中,产生了磁通绳结构。所有这些过程都遵循三角洲斑形成的多浮力段理论,是磁通量与湍流对流相互作用的自然结果,表明三角洲斑的形成和由此产生的耀斑爆发可能是一个随机决定的过程。
2019-11-10 astro-ph.SR
Flux rope formation through flux cancellation of sheared coronal arcades in a 3D convectively-driven MHD simulation
University of Oslo(奥斯陆大学);Sorbonne Université, Observatoire de Paris-PSL, École Polytechnique, IP Paris, CNRS, Laboratoire de Physique des Plasmas(索邦大学,巴黎天文台-PSL,巴黎综合理工学院,IP巴黎,法国国家科学研究中心,等离子体物理实验室)
本研究通过三维对流驱动的MHD模拟,探讨了光球层磁通量抵消如何形成日冕磁通绳,发现其过程复杂且非所有磁通量抵消均直接相关。
2025-12-23 astro-ph.SR
Effects of Penetrative Convection on Solar Dynamo
球形太阳能发电机模拟。采用一种新开发的基于阴阳网格的数值模拟程序,数值求解了对流层下具有稳定分层层的自洽、完全可压缩磁流体动力学系统。通过比较有无稳定层两种模型,研究了穿透对流的影响。在这两个模型中的差分旋转配置文件是合理的太阳与赤道加速度。当考虑穿透对流时,在对流区下方发展并维持一个类似于速斜的剪切层,而不需要假设任何强迫。当湍流磁场在对流运动剧烈的区域中占主导地位时,平均场分量优先在对流运动不太剧烈的区域中组织。特别是在稳定层中,具有偶极对称性的强大尺度场自发地建立起来。无论稳定层的存在与否,平均场分量的极性反转在整个系统中全局同步地发生。我们的研究结果表明,稳定分层层是组织大规模强磁场的关键组成部分,但不是必要的极性反转。
2013-09-11 astro-ph.SR
Effect of large-scale coherent structures on turbulent convection
在实验室条件下,研究了宽高比为$A \approx 2$和$A\approx 4$(瑞利数在$5 \times 10^6$ ~ $10^8$范围内变化)的矩形腔室内气流中大尺度相干结构对湍流对流全局特性的影响。大尺度拟序结构包括单胞流型和双胞流型。我们发现,在具有大尺度拟序结构的湍流对流中,湍流动能产生的主要贡献来自于非均匀大尺度运动。具有拟序结构的大瑞利数对流中的湍流是由剪切而不是浮力产生的。我们确定了全局参数的缩放(例如,湍流动能的产生和耗散、湍流速度和湍流积分尺度、大尺度切变等)湍流对流与室的底壁和顶壁之间的温差的关系。这些标度与我们的理论预测是一致的。我们证明了具有大尺度相干结构的湍流对流的不均匀程度是小的。
2009-05-17 astro-ph.SR nlin.CD physics.ao-ph
Gyroscopic Pumping in the Solar Near-Surface Shear Layer
我们使用全球和本地日震反演,探讨在太阳近地表剪切层(NSSL)的现行动态平衡。差异旋转和纬向环流密切相关,共同起源于太阳对流区上部的湍流应力。NSSL的存在和结构不能归因于太阳表面对流的角动量守恒,因为通常认为。相反,湍流的角动量输送占向极纬向流,而经常被忽视的纬向力平衡维持中纬度旋转切变。我们认为,该基地的NSSL的标志是由过渡斜压湍流应力在赤道平面,抑制科里奥利诱导的环流,否则将建立一个圆柱形的旋转配置文件。湍流角动量输运必须是非扩散性的,并且是径向向内的。推断的平均流量是一致的湍流对流往往混合角动量的想法,但只有当混合效率是不均匀的和/或各向异性的。估计的湍流输送的纬向和纵向分量在振幅上是可比的,并且比垂直分量大一个数量级。我们估计,它需要2- 4%的太阳光度,以维持太阳NSSL对惯性的平均流量。大部分的能量都与角动量的湍流输送有关,旋转下降的时间尺度为$\sim$ 600天。我们还解决这些结果的影响,数值模拟的NSSL。
2011-08-26 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Generation of large-scale winds in horizontally anisotropic convection
我们模拟三维的,水平周期性的瑞利-贝纳德对流之间的自由滑动的水平板,绕着一个遥远的水平轴旋转。当板块之间的温差和旋转速率都足够大时,就会产生与旋转矢量和重力矢量都垂直的强水平风。风是湍流的,大规模的,垂直剪切。水平各向异性,在这里产生的旋转,似乎是必要的,这样的风力发电。气流的大部分动能存在于风中,垂直湍流热通量平均比无风时低得多。
2015-07-31 astro-ph.SR physics.flu-dyn
On a new formulation for energy transfer between convection and fast tides with application to giant planets and solar type stars
所有关于潮汐与对流相互作用的研究都假设大尺度潮汐可以描述为平均剪切流,它被小尺度脉动对流涡旋所阻尼。对流雷诺应力的计算采用混合长度理论,占一个急剧的抑制耗散时,周转时间尺度大于潮汐周期。这产生了几个数量级的潮汐耗散率太小,无法解释晚型双星的循环周期或巨行星的潮汐耗散因子。在这里,我们认为,上述描述是不一致的,因为波动和平均流量应根据时间尺度,而不是在空间尺度上,他们的变化。因此,标准的图像应该颠倒过来,波动是潮汐振荡和最大的对流涡旋提供的平均切变流。我们假设能量是局部转移的潮汐对流。使用这个假设,我们得到的值的潮汐$Q$因素的木星和土星和PMS双星的圆化周期与观测结果吻合得很好。然而,用平衡潮汐近似得到的时间尺度仍然是晚型双星的40倍大,无法解释其圆化周期。对于这些系统,速跃层或对流带底部的切变可能是潮汐耗散的主要原因。
2021-01-25 astro-ph.EP astro-ph.SR
Fluctuation dynamo amplified by intermittent shear bursts in convectively driven magnetohydrodynamic turbulence
间歇性的大规模高剪切流被发现经常发生,自发地在统计稳定的湍流Boussinesq磁流体动力学(MHD)对流的直接数值模拟。系统的能量稳定状态是由速度场的对流驱动和小尺度发电机作用维持的。具有强速度和磁剪切的流动结构的间歇性出现在比大尺度对流运动的特征时间更长的时间尺度上以升高的速率产生磁能。磁能放大的弹性表明,间歇性剪切爆发是一个重要的驱动器发电机行动在湍流磁对流。
2013-09-05 astro-ph.SR physics.comp-ph