Kinematic dynamos in triaxial ellipsoids
行星磁场是由其内部导电流体的运动产生的。因此，发电机问题在球面几何中受到了广泛的关注，即使行星体是非球面的。为了超越球形假设，我们开发了一种算法，该算法利用三轴椭球中的磁场的全谱描述来求解具有局部边界条件（即伪真空或完全导电边界）的感应方程。我们使用的方法来计算的自由衰减磁模式，并解决指定的流量的运动发电机问题。新的方法进行了彻底的分析解决方案和标准的有限元计算，这也是用来模拟绝缘的外部。我们得到发电机磁场在低磁雷诺数的椭球体，这可以作为简单的基准，为未来的发电机研究在这样的几何形状。最后，我们讨论了如何磁边界条件可以修改发电机发病，表明一个完美的导电边界可以强烈削弱发电机行动，而伪真空和绝缘边界往往给出类似的结果。
2021-08-31 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Effect of metallic walls on dynamos generated by laminar boundary-driven flow in a spherical domain
我们提出了一个数值研究的发电机行动中的导电流体包裹在一个金属球壳。流体中的运动是由外部金属壳的差动旋转驱动的，我们称之为“壁”。壁的两个半球保持反向旋转，产生稳定的轴对称内部流动，包括差动旋转和在赤道平面内具有径向流入的双胞纬向环流。从以前的研究，这种类型的流是已知的，以保持一个固定的赤道偶极子发电机的行动，如果磁雷诺数大于约300，如果外边界是电绝缘的。我们独立地改变壁的厚度、电导率和磁导率，以确定它们对发电机作用的影响。主要结果如下：（a）增加壁的导电性会使壁内产生涡电流，从而阻碍发电机，涡电流是由赤道偶极子场和壁的相对运动引起的。这个过程可以被看作是趋肤效应，或者等价地，作为偶极子被壁的差分旋转撕裂，场线通过高电导率锚定到该壁。(b)通过将流体中的磁场线约束为垂直于壁，增加壁的磁导率有利于发电机动作，从而使流体与壁中的任何感应解耦。(c)减小壁厚限制了涡电流的幅度，并且因此有利于发电机动作，只要壁薄于趋肤深度。我们明确地证明了这些影响的墙壁上的发电机领域的属性导出一个有效的边界条件消失壁厚的限制。
2013-11-08 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Electrical and Thermal Conductivity of Earth's Iron-enriched Basal Magma Ocean
本研究利用第一性原理分子动力学计算，探究铁富集对基底岩浆洋硅酸盐液体电导率与热导率的影响，并模拟了地球基底岩浆洋的热演化与磁演化。
2025-08-01 astro-ph.EP cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Explaining Jupiter's magnetic field and equatorial jet dynamics
宇宙飞船的数据揭示了一个非常类似地球的木星磁场。这是令人惊讶的，因为数值模拟表明，类地行星和气体行星内部的巨大差异会强烈影响内部发电机过程。在这里，我们提出了第一个数字发电机，管理相匹配的结构和观测到的磁场的强度，拥抱木星内部的最新模型。模拟发电机的行动主要发生在深高电导率区域，而纬向流动态约束到一个强赤道射流在低电导率的外包层。我们的模型再现了观测到的全球磁场的结构和强度，并预测与赤道急流相关的次级发电机作用产生了朱诺号任务可能观测到的带状磁特征。在我们的模型中的长期变化的规模约为每年2000 nT，也应该在一年的名义任务持续时间观察。
2014-07-25 astro-ph.EP physics.geo-ph
Physical conditions for Jupiter-like dynamo models
朱诺号任务将以前所未有的精度测量木星的磁场，并提供丰富的额外数据，以限制行星的内部结构和动力学。在这里，我们分析了66个数值模拟，以探索的敏感性，发电机产生的磁场的行星内部属性。度l=4场模型VIP 4和最新的内部模型的基础上从头算模拟作为基准。我们的研究结果表明，VIP 4类磁场可以找到一些不同的模型。我们发现，无论我们假设一个理想气体或使用更现实的内部模型的基础上从头计算模拟没有区别。然而，另外两个因素也很重要。较低的瑞利数导致较强的轴向偶极子贡献，而当对流驱动太强时，轴向偶极子优势消失。产生类超导体磁场所需的中间范围取决于系统的其他属性。第二个因素是对流磁雷诺数分布Rmc（r），它是非轴对称流速和电导率的乘积。我们发现，深度Rmc超过约50是一个很好的代理顶部的发电机区域。当发电机区域位于太深时，由于几何原因，轴向偶极子再次占主导地位。我们将结果外推到木星，结果表明木星发电机延伸到行星半径的95%。在我们的模拟纬向流主要是由赤道射流主要局限于分子层。当喷流向下达到较高的电导率时，它会产生第二个α-ω发电机，它会改变在行星深处产生的偶极子主导的场。这种次级发电机可以在低纬度地区产生强磁场补丁，似乎与VIP 4模型兼容。
2017-09-12 astro-ph.EP
Dynamo Action in the Steeply Decaying Conductivity Region of Jupiter-like Dynamo Models
朱诺号任务正在提供木星磁场的壮观数据，而重力测量最终允许限制在云层水平观察到的风的深度。然而，纬向风在多大程度上有助于地球的发电机行动仍然是一个悬而未决的问题。在这里，我们探讨了数值发电机模拟，包括一个类似电晶体的电导率分布，并成功地模拟了行星的大规模领域。我们专注于分析急剧衰减电导率区域（SDCR）中的发电机作用，其中金属氢区域中的高电导率下降到由行星最外层的电离效应引起的低得多的值。我们的模拟结果表明，发电机行动的SDCR强烈统治的扩散效应，因此准平稳。局部感应磁场以水平环向磁场为主，而局部感应电流主要沿纬向流动。简单的动力学可以被利用来产生对SDCR中的感应场和电流的令人惊讶的高质量估计。这些可能被用来预测木星SDCR以及其他行星上纬向风的发电机作用。
2018-08-16 astro-ph.EP
Dynamos of giant planets
本文概述了将旋转球壳内对流产生磁场理论应用于巨行星的可能性和困难。最近的进展，在理解的分布导电性的巨行星表明，发电机的过程主要发生在地区的电阻率。与地球发电机相反，巨行星中产生的磁场具有强烈的径向电导率变化。强调了行星光度对欧姆耗散的约束的重要性。行星发电机很可能是振荡型的，尽管这些振荡在行星的外部可能并不明显。
2009-05-31 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.space-ph
The Turbulent Dynamo
导电流体中磁场的产生通常涉及流体湍流、旋转和场的复杂非线性相互作用。这种发电机过程在天体物理学、行星科学和天体物理学中非常重要，因为磁场在这些系统的动力学中起着关键作用。本文为流体力学工作者介绍发电机理论。它通过奠定基础，介绍发电机理论的核心方程和技术，然后提出一些简单的发电机解决方案。目前行使发电机理论家的问题，然后介绍，随着尝试取得进展。本文最后的论点，发电机理论的进展将在未来利用和推进一些目前的突破，中性流体湍流，如在过渡，自我维持的过程，湍流/平均流的相互作用，统计方法和维护和失去平衡。
2019-07-08 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Characterising Jupiter's dynamo radius using its magnetic energy spectrum
木星的磁场是由其内部液态金属氢的对流产生的。随着温度和压力的增加，从分子氢到金属氢的转变被认为是平稳的。因此，木星的电导率不断变化，从表面的可忽略不计到更深区域的大值。因此，不像地球，发电机的上边界-发电机半径-明确位于核幔边界，它不清楚在什么深度发电机行动变得显着在木星。在本文中，使用的木星发电机的数值模型，我们研究的磁能谱在不同的深度，并确定发电机半径低于（远离深内核）的磁能谱的形状变得不变。我们发现，这种转变的行为的磁能谱表示的动态系统的变化，电流变得重要。传统上，由Lowes-Mauersberger谱导出的特征半径--Lowes半径--给出了对地球核幔边界的一个很好的估计。我们认为，在我们的模型中，Lowes半径提供了发电机半径的下限。我们还比较了Lowes-Mauersberger光谱在我们的模型，从最近的朱诺观测。从朱诺号数据得出的洛伊斯半径明显低于从我们的模型中获得的。过渡区附近稳定分层区的存在可以解释这一结果。
2019-12-19 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Self-consistent simulations of a von Kármán type dynamo in a spherical domain with metallic walls
我们已经进行了数值模拟的边界驱动发电机使用三维非线性磁流体动力学模型在球壳几何形状。磁性普朗特数Pm=0.01的导电流体被两个半球壁的反向旋转驱动而运动。由此产生的流动是冯卡门型的，由靠近外壁的纬向速度层和次级纬向环流组成。在一定的强迫阈值以上，赤道带内的平均气流对非轴对称运动是不稳定的。对于固定强迫高于这个阈值，我们已经研究了这个流的发电机特性。在这些参数下，导电外壁的存在对于发电机的存在是必不可少的。因此，我们研究了改变壁的材料参数（磁导率，电导率和厚度）对发电机的影响。与以前的研究一样，我们发现发电机只有当电导率或渗透率足够大时才能得到。然而，我们发现这两个参数对发电机过程的影响是不同的，甚至可以竞争到发电机的损害。我们的自我一致的方法使我们能够详细分析发电机反馈回路。我们得到的发电机是典型的轴对称环形磁场和轴向偶极子分量占主导地位。我们表明，外剪切层产生一个强大的环向场的能力，关键取决于存在一个导电的外壁，它屏蔽了真空外的流体。另一方面，轴对称极向场的产生发生在赤道带，并且不依赖于壁的性质。
2012-08-17 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Thermal and magnetic evolution of an Earth-like planet with a basal magma ocean
本文耦合模拟类地行星的地核、底部岩浆洋与地幔演化，评估两者热成分对流及发电机条件，发现早期可由短暂底部岩浆洋发电机过渡到地核发电机，并约束相关电导率与热导率。
2024-09-09 astro-ph.EP physics.geo-ph
Gravitoturbulent dynamo in global simulations of gaseous disks
引力不稳定性（GI）驱动的湍流可以放大大质量气体盘中的磁场。这个GI发电机可能出现在年轻的星周盘，其弱电离挑战其他放大路线，以及在活动星系核。虽然被认为是一个大规模的发电机，只有当地的模拟到目前为止描述了它的运动机制。研究了全球磁流体动力学（MHD）模型中吸积盘的GI发电机，着重于其运动学相。我们进行电阻MHD模拟与冥王星代码不同的辐射冷却时间和电的双折射率。一个弱磁场种子发电机，我们采用平均场和启发式模型捕捉其本质。我们恢复相同的感应过程，导致磁场放大，如先前确定的本地模拟。然而，发电机本质上是全球性的，通过固定增长率的大规模发电机模式连接遥远的圆盘环。这种大规模的放大可以用一个不依赖于传统α-Ω效应的平均场模型来描述。当改变圆盘参数时，我们发现有利于磁放大的最佳电阻率，其磁雷诺数Rm < 10，比局部模拟小得多。与局部模拟不同，我们发现了一个最佳的冷却速率和全局振荡发电机模式的存在。发电机的非线性饱和使磁盘处于GI有效范围的边缘上的强磁化湍流状态。在我们的模拟中，吸积功率最终超过了局部热平衡对冷却所需的阈值，使GI发电机的长期非线性结果不确定。
2022-07-04 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
The Effect of Lower Mantle Metallization on Magnetic Field Generation in Rocky Exoplanets
最近的理论和实验证据表明，许多被认为存在于类地系外行星地幔中的物质将在地幔压力下金属化并成为电的良导体。这使得这些行星的地核和地幔之间有很强的电磁耦合。我们使用一个数值发电机模型来研究金属化下地幔对类地系外行星发电机的影响，使用几个内核大小和地幔电导率。我们发现，由于磁场拉伸的增加，导电地幔的加入导致更强的核幔边界场。我们还发现，金属化地幔不稳定的发电机导致较少的偶极，轴对称极向磁场在核幔边界。导电地幔有效地屏蔽了这些磁场，从而产生较弱的表面磁场。我们的结论是，一个导电的地幔将使太阳系外地球磁场的检测更加困难，而使发电机区域的磁场更强。
2013-04-25 astro-ph.EP
Tidally driven dynamos in a rotating sphere
由发电机效应产生的大规模行星或恒星磁场主要归因于导电流体层中浮力迫使的流动。然而，这些大规模的磁场也可能是由潮汐控制的，就像之前对$τ$ -boo、火星或早期月球的研究一样。通过模拟旋转流体的局部小块，\cite{Barker2014}最近表明，潮汐可以通过激发流体动力学不稳定性，即所谓的椭圆（或潮汐）不稳定性来驱动小规模发电机。通过对旋转球形流体进行全局磁流体动力学模拟，我们研究了这种不稳定性是否也能驱动观测到的大尺度磁场。因此，我们对发电机阈值和产生的磁场感兴趣，以测试这种机制是否与行星和恒星有关。而不是解决问题的几何形状变形的潮汐，我们考虑一个球形流体体，并添加体力来模仿潮汐变形的大部分流体。这使我们能够使用一个有效的频谱代码来解决磁流体动力学问题。我们首先比较流体动力学的结果与理论的渐近结果，并在一个真正的变形椭球，这证实了椭圆不稳定性的存在下获得的数值结果。然后，我们进行磁流体动力学模拟，并调查发电机的流量。运动学和自洽发电机最后模拟，表明椭圆不稳定性是能够产生偶极子主导的大规模磁场在全球模拟的流体旋转球。
2014-06-13 astro-ph.EP astro-ph.SR
Lunar Swirls Unveil the Origin of the Moon Magnetic Field
本研究针对月球磁异常与旋涡起源的长期谜题，提出月球旋涡由古代地表电流产生的磁化场作用形成，重建了地下电流三维分布并建立电磁场耦合模型，模拟得出电流与磁场强度参数，指出地壳强电流放电源于古代内部发电机活动，革新了相关起源理论。
2024-08-15 astro-ph.EP
Dynamo Action of Jupiter's Zonal Winds
本研究结合Juno的纬向流、磁场模型及更新电导率剖面，估算木星外层分子氢区纬向风诱发的准稳态发电机作用、可探测磁场及欧姆耗散，发现后者无法约束风深。
2019-06-21 astro-ph.EP
The role of magnetic boundaries in kinematic and self-consistent magnetohydrodynamic simulations of precession-driven dynamo action in a closed cylinder
本研究数值模拟了进动圆柱内导电流体流动的发电机作用，对比了运动学方法与自洽三维MHD模拟，发现外部层电磁特性显著影响临界磁雷诺数，且非线性模拟揭示了小尺度发电机解及短暂的发电机爆发现象。
2025-04-04 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Westward hotspot offset explained by subcritical dynamo action in an ultra-hot Jupiter atmosphere
本文首次对约2400 K的超热木星大气进行磁流体动力学模拟，发现亚临界发电机过程触发层流平均流破裂并导致零或西向热斑偏移，为解释观测到的热斑偏移多样性提供了新机制。
2024-07-17 astro-ph.EP astro-ph.SR
Intense but Harmless: Exo-Space Weather Around an M Dwarf with a Single-Hemisphere Dynamo
Peking University（北京大学）；National Space Science Center, Chinese Academy of Sciences（中国科学院国家空间科学中心）；Leibniz Institute for Astrophysics Potsdam（波茨坦阿斯特拉诺伊莱布尼茨研究所）；University of Massachusetts Lowell（马萨诸塞大学洛厄尔分校）；Lockheed Martin Solar and Astrophysics Laboratory（洛克希德·马丁太阳与天体物理实验室）；University of Potsdam（波茨坦大学）；Nanjing University（南京大学）
本研究通过三维MHD模拟发现，具有单半球磁拓扑的M型矮星产生的CME对赤道系外行星的扰动远弱于此前模拟结果，或形成利于行星宜居的温和CME环境。
2026-08-12 astro-ph.EP astro-ph.SR
Dipolar Magnetic Moment of the Bodies of the Solar System and the Hot Jupiters
行星的磁场是根据发电机理论来解释的，这在数学术语和预测方面都存在许多困难。用发电机理论计算太阳系外行星的偶极磁矩是一件非常困难的事情。其目的是找到行星磁矩、行星质量、自转周期和最导电层的电导率之间的经验关系（使用第一原理证明）。这一点适用于热处理器。利用太阳系中所有的磁性行星体，通过追踪偶极磁矩与质量参数的关系曲线，得到了内导电层的自转周期和电导率。建立了一个经验函数关系，并将其调整为幂律曲线以拟合数据。一旦这个经验关系被定义，它在理论上是合理的，并适用于计算偶极磁矩的太阳系外行星称为热彗星。几乎所有计算的数据都是内插的，使人们对其有效性有信心。偶极磁矩的值，获得了系外行星奥西里斯（HD 209458 b），有助于理解的方式，其中一个行星的大气层具有强烈的磁场可以被恒星风侵蚀。观察到的关系也有助于理解为什么金星和火星不存在任何磁场。
2010-07-26 astro-ph.EP physics.space-ph
Laboratory experiments and numerical simulations on magnetic instabilities
行星、恒星和星系的磁场是由运动的导电流体的自激产生的。一旦产生，磁场就可以通过破坏旋转流的稳定来在宇宙结构的形成中发挥积极作用，否则旋转流在流体动力学上是稳定的。长期以来，磁流体发电机作用和磁触发流动不稳定性都是纯理论研究的主题。然而，与此同时，在里加、卡尔斯鲁厄和卡达拉什的大规模液体钠实验中观察到了发电机效应。在本文中，我们总结了一些较小的液态金属实验致力于各种磁不稳定性，如螺旋和方位角的磁旋转不稳定性，泰勒不稳定性，以及不同的不稳定性，出现在一个磁化的球形Couette流的结果。最后，我们展望了一个大规模的泰勒-库埃特实验，使用液体钠，并观察磁触发的不稳定性的流动与正剪切的前景。
2016-10-18 astro-ph.EP physics.plasm-ph physics.space-ph
Estimations and scaling laws for stellar magnetic fields
在快速旋转的湍流中（Rossby数远小于1），湍流对流的标准混合长度理论破裂，科里奥利力进入力平衡，使得磁场最终取决于旋转。本文通过简化导电流体运动的自持磁流体动力学发电机方程，借助于热对流驱动的各向同性非旋转和各向异性旋转湍流理论，对恒星慢旋和快旋磁场进行了估计，并导出了标度律。我们的标度律与观测值符合得很好。
2022-01-11 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Magnetic induction processes in Hot Jupiters, application to KELT-9b
热彗星的小半长轴导致高达几千开尔文的高大气温度。在这些条件下，热电离金属提供了丰富的带电粒子来源，从而建立了相当大的导电性。随后的电磁效应，如感应的电流，欧姆加热，磁阻力，或减弱纬向风迄今已被认为主要是在一个线性的框架内，稳态模型的感应。对于平衡温度为$T_{eq} > 1500$ K的热超导体，大气磁场的感应是一个失控过程，只能通过非线性反馈来停止。例如，磁场通过洛伦兹力对流体的反作用或磁不稳定性的发生。此外，我们还讨论了自激大气发电机的可能性。我们的研究结果表明，感应的大气磁场和电流变得独立的电导率和内部场，而是由行星的旋转速率和风速的限制。作为一个明确的例子，我们通过计算沿大气$P-T$的电导率，为白天和黑夜侧的配置文件，来计算最热的系外行星KELT-9 b的感应过程。尽管温度在3000 K和4500 K之间变化，所产生的电导率在整个大气中达到大约1 S/m的升高值。感应的磁场主要是水平的，可能达到400 mT的饱和场强，超过内部磁场两个数量级。
2022-10-07 astro-ph.EP
Modeling magnetospheric fields in the Jupiter system
木星系统内产生磁场的各种过程是太阳系内其他行星以及太阳系外行星上发生的一大类类似过程的典范。木星内部巨大的发电机磁场产生了一个巨大的磁层，磁层受到强烈的旋转驱动，并拥有位于磁层深处的大型等离子体源。后两种效应的结合是木星主要极光椭圆的主要原因。木卫三是唯一已知的具有内在发电机磁场的卫星，它产生了一个位于木星较大磁层内的微型磁层，包括两个极光椭圆。木卫三的磁气圈与木星的磁气圈有质的不同。它没有弓形激波，但有阿尔文翼，类似于大多数太阳系外行星，其轨道在0.1天文单位内。这里提出的木星和木卫三的磁层的新的数值模型提供了定量的洞察力，维持这些磁层的过程。木星的磁层场在木星卫星的位置近似具有时间周期性，并在地下海洋等导电层中感应出次级磁场。在木卫三的例子中，这些次级磁场影响了极光椭圆位置的振荡。基于专门的哈勃太空望远镜观测，对极光振荡振幅的分析提供了证据，证明木卫三拥有地下海洋。相比之下，木卫四并不拥有微型磁层，但仍显示出扰动的磁场环境。木卫四的电离层和大气紫外线辐射与其他伽利略卫星不同，因为它主要是由太阳光子产生的，而不是磁层电子。
2017-05-30 astro-ph.EP
Reconstructions of Jupiter's magnetic field using physics informed neural networks
School of Earth and Environment, University of Leeds（利兹大学地球与环境学院）；College of Science, Zhejiang University of Technology（浙江工业大学理学院）；College of Earth Sciences, Guilin University of Technology（桂林理工大学地球科学学院）；Leeds Institute for Data Analytics, University of Leeds（利兹大学利兹数据分析研究所）
本文利用物理信息神经网络重建木星内部磁场，克服了传统球谐方法在深度处噪声放大的问题，并估计发电机边界位于0.8倍分数半径处。
2024-05-03 astro-ph.EP cs.LG
Zonal Flow Magnetic Field Interaction in the Semi-Conducting Region of Giant Planets
太阳系中的四颗巨行星都具有云面上100米/秒量级的纬向流，以及表面附近1高斯量级的大尺度固有磁场。纬向流的垂直结构仍然不清楚。端元情景是局限于辐射大气中的浅流和遍及整个地球的深流。电导率随着木星和土星内部深度的变化而迅速而平稳地增加。深部纬向流将不可避免地与磁场相互作用，即使是在具有适度导电性的深度。本文研究了巨行星半导体区纬向流与磁场的相互作用。采用平均场电动力学，我们表明，相互作用将产生可检测的极向磁场扰动空间相关的深纬向流。假设发电机α效应的峰值幅度为0.1 mm/s，木星和土星半导体区域中0.1 - 1 m/s量级的深纬向流将产生0.01% - 1%量级的背景偶极场的极向磁扰动。这些极向扰动应该是可以检测到的原位磁场测量从朱诺号任务和卡西尼号大结局。这意味着，磁场测量可以用来约束的性质，在半导体区的巨行星的深纬向流。
2017-03-29 astro-ph.EP
Solitary magnetostrophic Rossby waves in spherical shells
本文研究了磁转区的磁流体Rossby波。我们考虑慢模式，它在相反的方向上的流体动力学或快速模式，在存在的环形磁场和纬向流的厚球壳的准地转模型。弱非线性，长波导出渐近使用约化摄动方法。在一阶的问题被发现服从二阶常微分方程，导致一个超几何方程的Malkus场和合流Heun方程的电线场，并且是非奇异的，当波的速度接近平均流。研究其中性、非奇异的本征解，发现其演化可用Korteweg-de Vries方程描述。这意味着非线性慢波形成孤子和孤波。它们可能以相干涡旋的形式出现，例如单个反气旋。我们推测反气旋的关系，在地球的流体核心，并在国家的最先进的发电机DNS的不对称的环流。
2020-07-21 astro-ph.EP nlin.PS physics.flu-dyn
Numerical Simulations of Magnetic Effects on Zonal Flows in Giant Planets
本文通过含径向变化电导率的球壳磁流体动力学模拟，研究背景偶极磁场如何抑制或破坏巨行星深层纬向流，并给出与木星、土星观测相符的磁场—风速关系。
2024-08-03 astro-ph.EP
