Stellar dynamos in the transition regime: multiple dynamo modes and anti-solar differential rotation
已知类太阳恒星的全球和半全球对流发电机模拟显示了从反太阳（快极，慢赤道）到类太阳（快赤道，慢极）的差异旋转（DR）的过渡，以增加旋转速率。在后一个政权的发电机解决方案可以表现出规则的循环模式，而在前一个，只有固定或时间不规则的解决方案已获得至今。在本文中，我们提出了一个半全球发电机模拟的过渡区，表现出两个共存的发电机模式，循环和固定的，都是动态显着的。我们试图了解这样的发电机是如何通过分析大尺度流动特性（DR和纬向环流）与湍流输运系数与试验场方法得到的驱动。无论是$αΩ$发电机波还是平流主导发电机都不能解释平均磁场的周期和传播方向。此外，我们发现，$α$效应是可比的，甚至更大的$Ω$效应产生的环形磁场，因此，发电机似乎是$α^2Ω$或$α^2$型。我们进一步发现，有效的大规模流动显着改变湍流泵。
2019-11-22 astro-ph.SR
Mean-field dynamo action from delayed transport
我们分析了发电机作用的性质，产生水平平均磁场在两个特定的流动，研究了罗伯茨（1972年，菲尔。横河A 271，411），即他的流II和III。它们的动能螺旋度为零，无论是逐点（流II），还是平均（流III）。使用直接数值模拟，我们确定发电机行动在中等值的磁雷诺数的发病条件。使用测试场的方法，我们表明，湍流磁扩散率，然后是积极的两种流动。然而，我们表明，这两个流量大规模发电机行动发生通过延迟运输。从数学上讲，早期的磁场通过α张量的非对角分量对电动势有贡献，使得零平均磁场变得对发电机动作不稳定。这代表了一个定性的新的平均场发电机机制，以前没有描述过。
2014-01-20 astro-ph.SR
Sharp magnetic structures from dynamos with density stratification
最近的直接数值模拟（DNS）的大规模湍流发电机在强分层层导致了令人惊讶的尖锐的双极结构的表面。在这里，我们提出了新的DNS的螺旋和非螺旋强迫湍流旋转和不旋转，并与相应的平均场模拟（MFS）比较表明，这些结构是一个通用的结果，更广泛的一类发电机在密度分层层。MFS与DNS定性一致，但DNS的振荡周期往往更长。在DNS和MFS中，尖锐结构是由表面处的会聚流动产生的，并且如果发电机数至少为2.5倍超临界，则可能在与大尺度发电机驱动的磁场相关联的洛伦兹力的非线性演化阶段中被驱动。
2017-03-12 astro-ph.SR
Current helicity constraints in solar dynamo models
我们调查在何种程度上，目前在太阳活动区观测到的螺旋度分布是兼容的太阳发电机模型。我们使用一个先进的二维平均场发电机模型发电机行动主要集中在底部附近的对流区，发电机饱和的基础上的演变的磁螺旋度和代数淬火。为了比较，我们还研究了一个更基本的二维平均场发电机模型与简单的代数α淬火。利用这些数值模型，我们得到了小尺度电流螺旋度和大尺度磁螺旋度的蝶形图，并与观测得到的活动区电流螺旋度的蝶形图进行了比较。这种比较表明，目前的螺旋度的活动区，估计由$-A \cdot B$评估的深度，从活动区的出现，类似于观测数据比小尺度的电流螺旋度直接计算的螺旋度演变方程。这里，$B$和$A$分别是发电机产生的平均磁场及其矢势。
2012-12-07 astro-ph.SR
Dipole Collapse and Dynamo Waves in Global Direct Numerical Simulations
低质量恒星和行星的磁场被认为起源于其对流内部的自激发电机作用。观测揭示了各种各样的场拓扑结构，从大规模的轴向偶极子到更有结构的磁场。在这篇文章中，我们调查了70多个三维，自洽发电机模型直接数值模拟。控制参数，纵横比和机械边界条件已被改变，以建立这个样本的模型。得到了强偶极和多极模型。我们发现，这些发电机制度一般可以区分一个典型的对流长度尺度的Rossby半径的比率。如果对流长度尺度至少比Rossby半径大一个数量级，则获得了具有主要偶极磁场的模型。此外，我们强调了与地转纬向流模型与无应力边界条件的强切变的作用。在这种情况下，上述过渡消失，取而代之的是一个双稳态的区域，其中偶极和多极发电机共存。我们解释我们的结果在发电机本征模使用所谓的测试场方法。因此，我们可以表明，在偶极制度的模型的特点是由一个孤立的“单模”。随着多极发电机的边界越来越近，竞争的弦外之音变得越来越重要。我们将讨论这些发现如何与以前的模型和观察。
2012-02-21 astro-ph.EP astro-ph.SR
Discriminating between Babcock-Leighton-type solar dynamo models by torsional oscillations
本研究通过比较三个Babcock-Leighton发电机模型的纬向加速度与观测值，利用扭转振荡的纬度起源和相位差特性来区分模型，并约束对流区磁场构型。
2024-05-28 astro-ph.SR
Dynamo-generated magnetic fields in fast rotating single giants
红巨星为研究磁场和恒星演化的相互作用提供了一个很好的机会。利用法国南峰伯纳德·李奥望远镜（TBL）的分光偏振计NARVAL和LSD技术，我们开始了对单个G-K-M巨星的磁场的测量。早期的结果包括6个快速旋转巨星的MF-探测，以及第一次直接在演化的M-巨星EK Boo中探测到磁场。我们的结果可以用$α$ -- $ω$发电机在这些巨星系中运行的术语来解释。
2009-01-12 astro-ph.SR
The Global Solar Dynamo
简要总结了太阳发电机研究所依据的各种观测和限制。然后简短地回顾了表明太阳能发电机是巴布科克-莱顿类型的阿尔法-欧米茄发电机的论点。主要的未决问题仍然与次表面动力学有关，包括为什么太阳黑子出现在熟悉的蝴蝶翅膀中的首选纬度，为什么周期约为11年，以及为什么太阳黑子群相对于赤道倾斜（乔伊定律）。接下来，我们转向磁螺旋度，其守恒性质已被确定与大尺度磁场在大磁雷诺数的直接数值模拟中发现的下降。然而，穿过太阳表面的螺旋度磁通量可以缓解这个问题，并将理论与观测联系起来，这将在后面讨论。
2016-02-04 astro-ph.SR
Dynamical coupling of a mean-field dynamo and its wind: Feedback loop over a stellar activity cycle
我们集中在内部发电机磁场和恒星风之间的联系。如果恒星有一个循环发电机，磁场的调制可以影响风，风反过来可以对恒星的边界条件产生反作用，形成一个反馈回路。我们已经开发了一个2.5维的数值设置来模拟这种重要的耦合。我们已经实现了一个α-欧米茄平均场发电机的PLUTO代码，然后将其耦合到一个球形多变风模型通过一个接口组成的四个网格层专用的边界条件。我们在这里提出了一个发电机模型接近一个年轻的太阳周期性的磁活动。首先，我们展示了这个模型如何允许通过显示活动周期，日冕结构和综合量的时间演化之间的相关性来跟踪发电机活动对日冕的影响。然后，我们加入反馈的风的发电机和讨论的变化，观察到的发电机对称性和风的变化。我们解释这些变化的发电机模式：在这个参数制度，反馈回路导致发电机家庭之间的耦合通过一个首选的增长的四极模式。我们还研究了我们的接口的磁螺旋度，并表明，它导致一个小的注入发电机。这个模型证实了物理耦合内部和外部恒星层的重要性，因为它对发电机和风都有直接影响。
2021-02-02 astro-ph.SR
On the cause of solar-like equatorward migration in global convective dynamo simulations
我们目前的结果从四个对流驱动恒星发电机模拟球楔几何。所有这些模拟产生循环和迁移平均磁场。通过详细的比较，我们表明，迁移方向可以解释的$αΩ$发电机波的帕克-吉村规则。我们的结论是，赤道迁移在这个和以前的工作是由于一个积极的（消极的）$α$的影响，在北（南）半球和负径向梯度$Ω$外的这些模型的内切圆柱。这一想法得到了向赤道传播区域中负径向切变和环向场强度之间的强相关性的支持。
2014-11-28 astro-ph.SR
Data-driven discovery of dynamo cycle equations
Polytechnic University of Catalonia（加泰罗尼亚理工大学）；University of Edinburgh（爱丁堡大学）
本文利用DMD和SINDy方法从数值数据中恢复发电机模型，对比传统弱非线性分析，发现SINDy模型在预测磁场饱和振幅和处理非线性问题上更稳健。
2026-06-07 astro-ph.SR
Magnetic Archaeology of Early-Type Stellar Dynamos
早期型恒星的磁场强度呈双峰分布，有些显示出非常强的磁场（$\gtrsim 1\,\mathrm{kG}$），有些显示出非常弱的磁场（$\lesssim 10\,\mathrm{G}$）。最近，我们提出，这反映了地下对流带对古油气田的处理或缺乏。化石磁场较弱的恒星在表面将这些磁场加工成更弱的发电机产生的磁场，而在化石磁场较强的恒星中，磁性抑制对流，使化石磁场保持原样。我们现在扩展这一理论，并探讨近地表磁场演化的时间尺度。我们发现，质量损失条近表面区域的速度比磁场可以通过它们扩散。因此，对地表磁性的观测直接探测了对流发电机的冻结残骸。这就解释了磁场非常弱的恒星中磁性的缓慢演化：这些发电机- \emph{generated}磁场在质量损失的时间尺度上演化，而不是发电机。
2021-10-07 astro-ph.SR
Origin and Recovery from Grand Solar Minima in a Time Delay Dynamo Model with Magnetic Noise as an Additional Poloidal Source
利用数值分岔分析方法研究了一个基于时滞微分方程的简化Babcock-Leighton（BL）发电机模型。该模型揭示了滞后现象，在最近的平均场发电机模型和湍流发电机的直接数值模拟。将磁噪声作为极向场的附加弱源的BL模型每次都能从极大极小值恢复太阳活动周，这是单独的BL源所不能做到的。噪声纳入模型表现出双峰分布的环向场能量确认两种模式的太阳活动。它还显示了不稳定性和再现相空间崩溃，蒙德极小期的实验签名。在我们的模型中的巨极小值的发生统计与重建的太阳黑子数的观测统计相当吻合。最后，我们证明，磁噪声的水平控制的持续时间的大极小，甚至有一个处理在其等待期间，这表明触发效应的大极小的噪声，从而关闭全球发电机。因此，我们得出结论，由于小尺度湍流发电机行动（或其他来源）的“磁噪声”起着至关重要的作用，即使在巴布科克-莱顿发电机模型。
2018-04-30 astro-ph.SR
Surface flux concentrations and spherical alpha-square dynamo
在存在强密度分层的情况下，如果水平磁场的强度在适当的范围内（在湍流均分值的百分之几以内），则湍流可以导致水平磁场的大尺度不稳定性。这种不稳定性与湍流压力的抑制有关，使得湍流对平均磁压的贡献变为负值。这导致负有效磁压不稳定性（NEMPI）的激发。到目前为止，这种不稳定性只研究了一个强加的磁场。我们想知道当平均磁场由$α^2$发电机自洽地产生时，NEMPI是如何工作的，它是否受全球球形几何形状的影响，以及它是否会影响发电机本身的特性。我们采用了平均场的方法，以前已被证明提供了一个现实的描述NEMPI在直接数值模拟。我们假设轴对称和解决平均场方程与铅笔代码绝热分层在径向方向上的总密度对比度约4个数量级。NEMPI被发现工作时，发电机产生的领域是约4%的均分值，这是通过强大的$α$淬火实现。这种不稳定性在外层半径的顶部5%中被激发，只要该顶层的密度对比度至少为10。NEMPI发生在低纬度地区，当平均磁场较强时。对于较弱的场，NEMPI可以使发电机振荡与极向迁移。NEMPI是一种可行的机制，用于在强分层球壳中产生磁通量集中，其中磁场由强淬灭的$α$效应发电机产生。
2014-04-25 astro-ph.SR
The magnetic field of Betelgeuse: a local dynamo from giant convection cells?
参宿四是一颗M型超巨星，拥有复杂而延伸的大气层，其表面也有斑点和巨大的颗粒。一个可能的磁场可能会导致质量损失和外层大气的加热。我们观察参宿四，直接研究和推断其磁场的性质。我们使用新一代偏振光谱仪NARVAL和最小平方反卷积（LSD）方法来检测参宿四光球吸收线内的圆偏振。我们在参宿四的谱线中明确地探测到一个微弱的斯托克斯V信号，并在一个月内的6个不同时期测量了相关的表面平均纵向磁场B1。探测到的纵向场约为一高斯，并且在我们观测的时间尺度上明显增加。这项工作提出了第一次直接检测的磁场的参宿四。这个磁场可能与巨大的对流单体有关，这些对流单体可以使“局部发电机”成为可能。
2010-05-26 astro-ph.SR
The mean-field solar dynamo with double cell meridional circulation pattern
日震学的最新发现以及太阳全球动力学直接数值模拟的进展表明，在每个太阳半球，赤道环流形成了对流区中沿赤道的两个单元。我们研究了具有这种双胞双对称环流的平均场太阳发电机的性质。发电机模型还包括现实的太阳差旋转（包括速跃层和地下剪切层）的配置文件，并考虑到湍流泵，各向异性湍流扩散率和磁螺旋守恒的影响。相反，以前的磁通量传输发电机模型，它被发现，发电机模型可以鲁棒地再现太阳磁循环的基本属性为广泛的模型参数和环流速度。当纬向环流的表面速度约为12 m/s时，与观测结果的符合最好。对于这种环流速度，模拟的太阳黑子活动与极区磁场表现出良好的同步性。在过去的太阳黑子周期21和22中确实观察到了这种同步。我们比较了太阳黑子数和极场强度的理论和观测相图，并讨论了第23周的特殊性质。
2013-06-08 astro-ph.SR
Turbulent cross-helicity in the mean-field solar dynamo problem
我们研究了湍流交叉螺旋度的动力学和统计特性（对齐的脉动速度和磁场分量的相关性）。我们导出了控制湍流交叉螺旋度的产生和演化的方程，并讨论了它对发电机的意义。利用问题的对称性，我们提出了一个湍流交叉螺旋度赝标量的一般表达式，并计算了湍流系数。考虑了密度分层、大尺度磁场、差异旋转和湍流对流的影响。我们研究了分布平均场发电机模型和通量输运发电机模型中这些效应对跨螺旋度演化的相对贡献。我们发现，从密度分层的贡献如下的径向磁场的演变，而大规模的电流产生一个更复杂的模式的交叉螺旋的可比幅度。我们认为交叉螺旋度的观测分析结果将取决于平均尺度。我们的研究结果表明，交叉螺旋度的演变模式强烈依赖于发电机机制的细节。因此，我们预计，直接观测太阳上的交叉螺旋度可能有助于诊断太阳发电机过程的目的。
2011-10-06 astro-ph.SR
Magnetic flux concentrations from dynamo-generated fields
磁化恒星对流的平均场论给出了两种不同的不稳定性的可能性：大尺度发电机不稳定性，在对流区的大部分，和一个负的有效磁压不稳定性（NEMPI），在强分层的表面层操作。后者可能是重要的，在连接与磁点的形成，但NEMPI的增长率被抑制随着旋转速率的增加，虽然最近的直接数值模拟（DNS）已经显示了随后的增长率的增加。我们定量研究是否可以解释的α平方平均场发电机的NEMPI的增长率的增加，以及是否NEMPI和发电机的不稳定性可以在同一时间操作。我们使用DNS和平均场模拟（MFS）数值求解基本方程，无论是否施加水平场。我们使用测试场方法来计算相关的发电机系数。DNS表明，磁通量浓度仍然是可能的旋转速率以上的大规模发电机效应产生的平均磁场。由此产生的DNS增长率定量再现MFS。正如预期的那样，对于弱旋转或消失的旋转，NEMPI的增长率随着重力的增加而增加，但是对于强重力和大湍流磁扩散率有一个修正项。磁通量的集中仍然是可能的旋转速率以上的发电机行动接管。对于太阳自转速率，相应的湍流周转时间约为5小时，发电机的行动开始在下面的层。
2014-10-31 astro-ph.SR
Understanding mechanisms underlying solar cycle predictability with a general framework
School of Space and Earth Sciences, Beihang University（北京航空航天大学空间与地球科学学院）；Key Laborotary of Space Environment Monitoring and Information Processing of MIIT（工业和信息化部空间环境监测与信息处理重点实验室）
本文通过通用框架探讨太阳表面磁场对后续发电机过程的预测能力，揭示了磁场耦合和径向分量对可预测性的影响。
2026-04-15 astro-ph.SR
Intermittent turbulent dynamo at very low and high magnetic Prandtl numbers
上下文：直接数值模拟表明，即使在低普朗特数，即发电机是有效的，当Re ->无穷大时，发电机有效运行所需的临界磁雷诺数Rm_c小于流体动力学雷诺数Re。目的：我们验证了Iskakov等人的猜想（2007），即当Re ->无穷大时，Rm_c实际上趋于有限值，并且我们研究了发电机生长因子γ在非常低和高的磁性普朗特数下的行为。研究方法：我们使用局部和非局部壳模型的磁流体动力学（MHD）湍流的参数覆盖范围更广的雷诺数比直接数值模拟，但天体物理的相关性。结果：当Re ->无穷大时，Rm_c趋于有限值。在运动状态下，发电机增长因子γ的Rm ->无穷大的极限表现为Re^β，同样，γ的Re ->无穷大的极限表现为Rm^{β '}，β= β'= 0.4。总结：比较与现象学的基础上间歇性的小规模湍流发电机，以及在不同的本地和非本地模型的增长率之间的差异，表明非本地项发电机效应的微弱贡献。
2011-11-09 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Modulated cycles in an illustrative solar dynamo model with competing alpha effects
太阳的大尺度磁场以大约22年为周期变化，尽管周期的幅度受到磁活动显著减少的周期性阶段的长期调制。人们认为，磁流体发电机是负责产生这种大规模的领域，虽然这个发电机过程还没有得到很好的理解。在平均场发电机理论的框架内，我们的目标是研究如何竞争机制极向场再生（即时间延迟Babcock-Leighton表面α效应和界面型α效应），可以导致调制的磁活动在一个深层次的太阳发电机模型。我们解决了标准的α-ω发电机方程在一个空间维度，包括源项对应于两个竞争的α-效应的极向场的演化方程。该系统使用两种不同的方法求解。除了直接求解一维偏微分方程，使用数值技术，我们还使用局部近似减少控制方程的一组耦合常微分方程（ODE），这是使用分析和数值方法相结合的研究。在常微分方程模型中，很容易找到参数，使得一系列的分岔可以识别的时间延迟增加，与发电机从周期状态过渡到混沌状态通过多个周期解。在完整的模型中可以观察到类似的转变，其中混乱调制的解决方案表现出类似太阳的行为。
2014-03-26 astro-ph.SR
The dynamo-wind feedback loop: Assessing their non-linear interplay
虽然太阳磁场产生于对流层深处，但它通过帕克螺旋对地球空间环境产生直接影响。它强烈地调制着整个日球层的太阳风，特别是它的纬向和经向速度分布。然而，风也通过打开冕洞中的磁场线来影响冕磁场的拓扑结构，这可以通过改变发电机边界条件来影响恒星的内部磁场。这种耦合是特别难以建模，因为它涵盖了大量的各种时空尺度。准静态研究已经开始帮助我们揭示发电机产生的磁场是如何塑造风的，但太阳发电机和太阳风之间的全面相互作用仍然没有得到我们的理解。我们使用可压缩磁流体动力学（MHD）程序PLUTO，在2.5维空间中同时计算了恒星内部磁场通过α-Ω发电机过程的产生和演化，以及年轻太阳在几个活动周期中多变日冕风的相应演化。恒星表面的多层边界条件连接了内部和外部恒星层，使两者都能动态地适应。我们的连续耦合发电机-风模型使我们能够描述太阳风条件如何随周期相位而变化，并量化积分量（如阿尔文半径）的演变。我们进一步评估太阳风对发电机本身的影响，通过比较我们的结果与无风反馈。
2019-12-03 astro-ph.SR
Tayler-Spruit dynamos in simulated radiative stellar layers
本文通过球壳内稳定分层差速旋转磁化流体的直接数值模拟，扩展研究了 Tayler-Spruit 发电机的参数空间与分层影响，验证了 Spruit 理论假设，发现其满足磁静力平衡并能高效传输角动量。
2024-01-17 astro-ph.SR
Bridging planets and stars using scaling laws in anelastic spherical shell dynamos
在快速旋转的行星和低质量恒星内部运行的发电机可能属于类似的类别，旋转起着至关重要的作用。我们使用缩放定律来量化这种相似性。我们分析直接数值模拟的Boussinesq和滞弹性球壳发电机。这些发电机代表了从类地行星到快速旋转的低质量恒星的简化模型。我们发现，磁场和速度在这些发电机相关的可用浮力功率通过一个简单的幂律，持有各种各样的控制参数。
2013-10-01 astro-ph.EP astro-ph.SR
Direct statistical simulation of low-order dynamo systems
在本文中，我们调查的有效性直接统计模拟（DSS）的两个低阶模型的发电机行动。第一个模型，这是一个简单的太阳能和恒星发电机行动的模型，是三阶和立方非线性，而第二个只有二次非线性，并描述了对流和非周期性逆转磁场的相互作用。我们展示了如何DSS可以用来解决这些系统的统计方程的存在和不存在的随机项，截断的累积量层次在第二或第三阶。我们比较了两种不同的技术来解决的统计，时间步长-这是能够找到只有稳定的解决方案的方程的统计和直接检测的固定点。我们在Python中开发了一个完整的方法和符号包，用于推导控制累积展开中低阶动态系统的统计方程。我们证明，虽然直接检测的不动点是有效的和准确的DSS截断在二阶，高阶项的增加导致包括许多不稳定的不动点，可以发现通过直接检测的不动点迭代方法。在这些情况下，时间步进是一个更强大的协议，为DSS找到有意义的解决方案。
2021-03-23 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.geo-ph
Small-scale dynamos in simulations of stratified turbulent convection
小规模的发电机行动往往被认为是造成宁静的太阳磁场。我们的目的是确定在非旋转湍流对流在低磁普朗特数的小规模发电机的激励条件和饱和水平。我们使用高分辨率的直接数值模拟弱分层湍流对流。我们发现，发电机激励的临界磁雷诺数增加的磁普朗特数减少，这可能表明，小规模的发电机行动是不自动明显的机构与小磁普朗特数的太阳。作为磁雷诺数（${\rm Rm}$）的函数，发电机的增长率是一致的${\rm Rm}^{1/2}$缩放。未发现${\rm Rm}$的生长速率对数增加的证据。
2018-02-26 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Efficient quasi-kinematic large-scale dynamo as the small-scale dynamo saturates
恒星和星系中的大尺度磁场被认为是由于螺旋湍流和剪切的综合影响而产生的平均场发电机作用。这些系统也是高度导电的，并且其中的湍流导致波动（或小尺度）发电机，其更快速地放大涡流尺度上的磁场波动并且更小。那么这会干扰和抑制平均（或大规模）场生长吗？使用直接数值模拟的螺旋湍流（有和没有剪切），我们确定了一种新的准运动学的大规模发电机的小规模发电机饱和。因此，这两个发电机一个接一个地有效运转，并导致产生重要的大规模领域。
2019-05-20 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.flu-dyn
Mechanisms of Planetary and Stellar Dynamos
我们回顾了一些最近的进展，模拟行星和恒星发电机。特别注意的是发电机机制和由此产生的属性的字段。我们提出了一个简单的Boussinesq模型的直接数值模拟。这些模拟解释使用经典的平均场形式主义。我们研究从稳定的偶极到多极发电机波的解决方案，不同的控制参数的过渡，并讨论了恒星磁场的相关性。我们表明，由于强纬向流的作用，这种转变是滞后的。在无应力边界条件下，双稳态扩展到很宽的参数范围。
2012-12-11 astro-ph.EP astro-ph.SR
Energy pathways in large- and small-scale convection-driven dynamos
利用直接数值模拟方法研究了瑞利-贝纳德对流驱动的旋转平面层发电机中速度与磁场之间的能量传递途径。动能和磁能被分为平均和湍流分量，以研究与大型和小型发电机相关的生产，运输和耗散。这种基于能量平衡的表征揭示了发电机中大尺度和小尺度磁场产生的不同机制，这取决于速度场的性质和边界处施加的条件。
2022-12-18 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Powering Stellar Magnetism: Energy Transfers in Cyclic Dynamos of Sun-like Stars
我们使用ASH代码来模拟太阳型恒星的对流发电机。基于一系列的15个3-D MHD模拟跨越4箱的旋转和质量，我们展示了什么机制在这些恒星发电机的工作和没有磁周期，以及如何全球恒星参数影响的结果。基于这些模拟，我们还导出了微分旋转和磁场的标度律。我们发现一个较弱的趋势之间的差异旋转和恒星自转速率，（$ΔΩ\sim (|Ω|/Ω_{\odot})^{0.46}$）在MHD的解决方案比他们的HD对应$(|Ω|/Ω_{\odot})^{0.66})$，产生一个更好的协议与观测趋势的基础上的幂律。我们发现，当流体Rossby数在$0.15 \lesssim Ro_f \lesssim 0.65$之间时，解具有长磁周期，当$Ro_f \lesssim 0.42$为短磁周期，当$Ro_f \gtrsim 1$（反类日差分自转）为统计稳态时，解具有长磁周期.我们表明，短周期发电机遵循经典的帕克-吉村规则，而长周期周期的不。我们进一步证明，Rossby数的依赖性的大规模表面磁场的模拟（$B_{L,surf} \sim Ro_{f}^{-1.26}$）同意更好地与观测（$B_{V} \sim Ro_{s}^{-1.4 \pm 0.1}$）和不同的发电机标度的基础上的全球磁能（$B_{bulk} \sim Ro_{f}^{-0.5}$）。我们还表明，恒星光度的几个子波可以被引导到恒星的磁性，从而为可能的表…
2022-01-31 astro-ph.SR physics.flu-dyn
The kinetic helicity needed to drive large-scale dynamos
当湍流是螺旋形的并且如果畴足够大以使$α$效应支配湍流扩散时，已知通过所谓的$α$效应可以在与湍流涡旋的尺度相比更大的尺度上产生磁场。使用三维湍流模拟，我们表明，所产生的平均磁场的饱和状态的能量与归一化螺旋度的产品和域尺度的比值，以涡尺度线性增加，提供这个产品超过一个临界值的团结。这意味着，大规模的发电机行动开始时，归一化的螺旋度大于反尺度比。我们的研究结果表明，小规模发电机行动的出现并没有任何显着的影响，大规模发电机。Pietarila Graham等人（2012，Phys. Rev. E85，066406）最近发现的较小的最小螺旋度可能是由于在大磁雷诺数下小尺度发电机作用的开始而引起的伪影。然而，当动力学螺旋度很小时，大规模发电机作用的开始是难以建立的。他们使用了具有时间相关相位的ABC流，而不是随机强迫。我们表明，这种发电机饱和过早的方式，让人想起内部磁螺旋通量的非均匀发电机。此外，即使对于非常低的分数螺旋度，这样的发电机显示大规模的领域，改变方向，这是不典型的湍流发电机。
2013-11-15 astro-ph.SR physics.plasm-ph
A mean field dynamo from negative eddy diffusivity
利用直接数值模拟，我们验证了Roberts（1972）的“流IV”表现出由水平平均大尺度磁场主导的发电机作用。用试验场方法计算了湍流磁扩散系数，发现它是负的，并克服了分子扩散系数，从而定量地解释了磁雷诺数大于$\approx8$时的大尺度发电机现象。正如对这种发电机所预期的那样，但与$α$效应发电机相反，两个水平场分量彼此独立地增长，并具有任意的幅度比和相位差。小长度尺度的平均磁场被证明是稳定的湍流磁扩散率成为积极的在较大的波数。振荡衰减或增长的解决方案也被发现在某些波数间隔和足够大的值的磁雷诺数。对于磁雷诺数低于$\approx0.5$的湍流磁扩散率被证实是积极的，预期所有不可压缩流。早期声称的发电机驱动的修改泰勒-格林流通过负涡扩散率不能得到证实。
2013-05-23 astro-ph.SR physics.flu-dyn
On large-scale dynamos with stable stratification and the application to stellar radiative zones
我们对恒星辐射带中大尺度磁场的理解仍然是支离破碎和不完整的。这样的磁场，必须由某种形式的发电机机制产生，被认为主导角动量输运，使它们对恒星演化至关重要。一个主要的困难是稳定分层的影响，它通常抑制发电机的行动。我们探讨了稳定分层的平均场发电机理论的影响，特别是专注于一个非螺旋大规模发电机（LSD）的机制被称为磁剪切电流效应。我们发现，该机制是强大的，以增加稳定分层，只要其操作的原始要求得到满足：剪切和非螺旋磁波动的来源（例如，从一个小规模的发电机）。两者都是在存在差异旋转的情况下可解释的来源。我们的理想化的直接数值模拟，平均场论的支持下，证明了近均分大尺度环向场的产生。此外，对磁雷诺数的扫描显示LSD的增长或饱和没有变化，这为发电机机制对灾难性淬火的弹性提供了良好的数值证据，这一直是螺旋发电机的一个问题。这些属性-灾难性的淬火和稳定分层的鲁棒性的情况下-使该机制成为一个合理的候选人在恒星辐射区产生原位大规模磁场。
2022-09-16 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Intense bipolar structures from stratified helical dynamos
我们进行直接数值模拟的磁流体动力学方程与外部随机强迫和重力的存在。该域被分为两个部分：一个较低的层，其中的强迫是螺旋和上层的螺旋度的强迫是零之间的平滑过渡。在早期，一个大规模的螺旋发电机在底层发展。在稍后的时间，发电机饱和，但垂直磁场继续发展和上升，形成动态双极结构的顶部，后来消失和重新出现。有些结构看起来与太阳上观测到的$δ$斑点相似。这是磁通量集中的第一个例子，由于强密度分层，从自洽发电机模拟，产生双极，超均分强度，磁结构，其能量密度可以超过湍流动能，甚至十倍。
2014-10-16 astro-ph.SR physics.plasm-ph
The fate of alpha dynamos at large $Rm$
当今太阳磁场演化模型的核心是阿尔法发电机的描述。在这项工作中，我们调查的命运α-发电机的磁雷诺数$Rm$增加。使用Floquet理论，我们能够精确地量化平均场效应，如α和β效应（i）通过严格区分发电机模式，涉及大尺度组件从那些只涉及小尺度，并通过（ii）提供一种方法来调查任意大尺度分离以最小的计算成本。我们将这个框架应用于螺旋和非螺旋流以及随机流与短相关时间。我们的研究结果确定，α描述是有效的$Rm$小于一个临界值$Rm_c$，在小规模发电机不稳定开始。当$Rm$高于$Rm_c$时，发电机停止遵循平均场描述，并且大尺度模式的增长率变得与尺度分离无关，而大尺度模式中的能量与尺度分离的平方成反比。在第二个制度的结果不依赖于螺旋度的存在。因此，阿尔法型太阳和恒星模型的建模需要重新评估和平均场建模的新方向提出。
2016-07-25 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Investigating global convective dynamos with mean-field models: full spectrum of turbulent effects required
湍流效应对太阳和恒星中发电机的作用仍有争议。平均场（MF）理论提供了一个广泛使用的框架，将这些影响的基本磁流体力学。虽然无法观测，湍流效应可以直接研究使用全球对流发电机（GCD）模拟。我们测量湍流输运系数方面的湍流效应，MF框架的基础上，从一个示例性的GCD模拟使用测试场方法。然后，这些系数被用作MF模型的输入。我们发现MF和GCD解之间有很好的一致性，这验证了我们的理论方法。这个协议要求包括所有的湍流效应，甚至那些迄今为止被认为是不重要的。我们的研究结果表明，简单的发电机模型，通常用于太阳和恒星社区，依赖于非常少，精确微调的湍流效应，可能不能代表发电机在全球对流模拟和天文对象的完整动态。
2021-10-05 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Effects of shell thickness on cross-helicity generation in convection-driven spherical dynamos
研究了旋转球壳中螺旋度和交叉螺旋度电动发电机效应对混沌热对流自持磁场产生的相对重要性，并将其作为球壳厚度的函数。发电机解决方案的两个不同的分支被发现共存于直接数值模拟壳的纵横比在0.25和0.6之间的平均场偶极制度和波动偶极制度。的特性表征共存的发电机吸引子进行了比较和对比，包括磁场和旋转热对流的时间行为和空间结构的差异。螺旋度$α$ -效应和交叉螺旋度$γ$ -效应被认为是在波动偶极发电机制度，其中它们的比例不随壳厚度显着变化的强度相媲美。与此相反，在平均场偶极发电机制度的螺旋$α$ -效果占主导地位的约两个数量级，并成为更强的壳厚度减小。
2020-12-13 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.geo-ph
Complex dynamical regimes of the Tayler-Spruit dynamo
Observatoire de Genève, Université de Genève（日内瓦天文台，日内瓦大学）；Université Paris-Saclay（巴黎萨克雷大学）；Université Paris Cité（巴黎西岱大学）；CEA（法国原子能和替代能源委员会）；CNRS（法国国家科学研究中心）；AIM（天体物理、物质与辐射研究所）
研究通过三维模拟揭示了Tayler-Spruit磁流体动力学的复杂动力学模式及其对中子星磁场的影响。
2026-09-30 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.flu-dyn
Scaling laws in spherical shell dynamos with free-slip boundaries
对流驱动的旋转球壳发电机的数值模拟通常是在刚性边界条件下进行的，这适用于类地行星的金属核。自由滑动边界更适合其他天体物理物体（例如气态巨星或恒星）中的发电机。使用一组57个直接数值模拟，我们调查的自由滑移边界条件的热流，流速和磁场强度的标度特性的效果，并与刚性边界的早期结果进行比较。我们发现，力学边界条件的性质只有很小的影响的标度律。我们还发现，虽然偶极和多极发电机表现出大致相同的标度指数，有一个偏移的标度前因子的速度和磁场强度。我们认为，偏移可以归因于两极和多极发电机之间的纬向流贡献的差异。
2013-02-20 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.geo-ph
Robustness of oscillatory $α^2$ dynamos in spherical wedges
我们使用简单的平均场$α^2$发电机研究了球楔和全球壳几何之间的联系。我们解决了一个一维的时间相关的平均场发电机的方程，以检查不同的纬度边界和球坐标中的极点之间的极角$θ_0$的影响。我们研究了湍流磁扩散率和$α$效应剖面以及不同纬度边界条件的影响，以隔离振荡解的参数区域。最后，我们添加剪切和模拟径向梯度的阻尼项来研究由此产生的发电机区域。我们发现，通常使用的完美导体边界条件导致振荡的$α^2$发电机解决方案，只有当楔形边界是至少一个度远离极点。其他边界条件总是产生定常解。通过单独改变湍流磁扩散率的轮廓，振荡的解决方案与延伸到极点的模型实现，但磁场是强烈集中在极点附近的振荡周期是很长的。通过引入径向剪切和模拟径向梯度的阻尼项，我们再次看到振荡发电机，漂移的方向遵循帕克-吉村规则。振荡的解决方案，在弱剪切制度中发现，只有在楔的情况下，与$θ_0 = 1^\circ$和完美的导体边界。一个减少$α$效应与湍流扩散率集中向赤道附近的极点产生振荡发电机与赤道迁移和再现最好的解决方案，在球楔。
2016-01-20 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Periodic magnetorotational dynamo action as a prototype of nonlinear magnetic field generation in shear flows
以开普勒剪切流中的磁旋转发电机为原型，研究了倾向于磁流体动力学不稳定性的剪切流中发电机作用的性质。利用直接数值模拟和牛顿方法，我们计算了一个精确的时间周期磁旋转发电机的三维耗散不可压缩磁流体动力学方程的旋转和剪切。我们讨论的物理机制背后的周期，并表明，它是从一个大规模的轴对称环形磁场和非轴对称扰动放大的磁旋转不稳定性之间的线性和非线性相互作用的组合。我们证明，这种大规模的发电机机制是整体内在的非线性和不可还原的标准平均场发电机形式主义。因此，我们的研究结果提供了明确的证据，一个通用的非线性产生机制的时间相关的相干大尺度磁场剪切流，并呼吁新的理论发电机模型。这些发现为理解亚临界磁旋湍流的相变和统计性质提供了重要线索。
2011-09-08 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR
Consistent scaling laws in anelastic spherical shell dynamos
数值发电机模型总是采用与自然物体中预期值相差几个数量级的参数值。然而，这样的模型已经成功地在定性再现行星和恒星发电机的属性。这种定性的协议燃料的想法，数值模型和天体物理对象可以在相同的渐近制度的动态。这可以通过探索模型的缩放行为来测试。对于对流驱动的不可压缩球壳发电机与恒定的材料属性，以前已经建立了相关的流速和磁场强度的可用功率的比例定律。在这里，我们分析273直接数值模拟使用滞弹性近似，也涉及与半径相关的磁，热和粘性扩散率的情况下。与Boussinesq模型相比，这些模型更好地代表了气体巨行星和低质量恒星的条件。我们的研究提供了强有力的支持的假设，即平均速度和平均磁场强度规模作为一个功能所产生的浮力以同样的方式为广泛的条件。
2013-06-25 astro-ph.EP astro-ph.SR
Dynamo-driven plasmoid formation from a current-sheet instability
轴对称载流等离子体团的形成在非轴对称波动的存在下，在非线性三维电阻磁流体模拟在一个全球性的环形几何形状。我们利用螺旋度注入技术来形成一个初始的极向磁通的存在下的环形引导场。当注入螺旋度时，两种类型的电流片由1）注入器区域中的相反方向的场线（初级重联电流片）和2）等离子体边缘附近的极向通量压缩（边缘电流片）形成。我们首先发现，非轴对称波动所产生的电流片不稳定性附近的等离子体边缘孤立撕裂宇称，但仍然可以快速增长（极向阿尔芬时间尺度）。这些模式通过打破电流片而饱和。第二，第一次观察到的发电机极向通量放大在reconnetion网站（在该地区的相反方向的磁场）。这种波动引起的通量放大增加了当地的伦德奎斯特数，然后触发了等离子体团不稳定性，并打破了在重联网站的主要电流片。大规模通量放大驱动的等离子体团形成，即大规模发电机，这里观察到的天体物理重联以及实验室等离子体中的快速重联事件具有强烈的影响。
2016-10-28 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Magnetic energy cascade in spherical geometry: I. The stellar convective dynamo case
我们提出了一种方法来表征模拟恒星对流发电机的尺度之间的磁能的光谱转移。基于Clebsch-Gordan系数的球谐函数的解析耦合关系，计算了完整的三阶传递函数。该方法被应用到平均场$αΩ$发电机模型作为基准测试。从物理观点来看，发电机场分解成主发电机族和次发电机族在$αΩ$情况下证明是非常有指导意义的。同样的方法，然后应用到一个完全湍流发电机在太阳能对流区，建模与三维MHD ASH代码。的磁能谱的初始增长被证明是非本地的。它主要再现中尺度对流的动能谱。在饱和阶段，两种直接的磁能级联被观察到的区域包括在模拟中涉及的最小尺度。第一个级联是通过大尺度差动旋转对磁场的剪切而获得的，该差动旋转有效地级联了磁能。第二个是一个广义的级联，涉及到一系列的本地磁和速度尺度。非本地转移似乎很重要，因此净转移不能被简化为一小部分模式的动态。详细讨论了大尺度轴对称偶极子和四极子的饱和问题。特别是，偶极饱和的非本地相互作用，涉及最具活力的规模的磁能谱，这指出了重要性的磁普朗特数的大型发电机。
2013-01-08 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Hysteresis between distinct modes of turbulent dynamos
太阳发电机的非线性平均场模型显示了长期的变化，这可能与从长期放射性碳数据推断的不同活动状态有关。本文的目的是探索的直接数值模拟的Kitchatinov \& Olemskoy（2010）的最新平均场模型预测的发电机滞后。我们进行三维模拟的大型发电机在剪切盒螺旋强制湍流。作为初始条件，我们要么采用弱随机磁场，要么从早期模拟的快照开始。两个准稳定的状态被发现共存在一定范围内的参数接近的大规模发电机的发病。根据初始条件，模拟收敛到这些状态之一。当分数螺旋度或磁普朗特数在连续运行之间增加到发电机开始的临界值以上时，场强跳到一个有限值。然而，当分数螺旋度或磁普朗特数然后再次降低时，场强度保持在类似的值（强场分支），甚至低于原始开始。我们还观察到间歇性衰减阶段远离强场分支接近大规模发电机行动的点是可能的。因此，在平均场模型中先前看到的发电机滞后通过3D模拟再现。它可能与太阳活动的不同模式，如大极小期的讨论。
2015-04-23 astro-ph.EP astro-ph.IM astro-ph.SR
Coherent structures and the saturation of a nonlinear dynamo
欧拉和拉格朗日工具被用来检测相干结构的速度和磁场的平均场发电机，产生的三维可压缩磁流体动力学方程的各向同性螺旋强迫和中等雷诺数的直接数值模拟。发电机的两个不同的阶段进行了研究，运动学阶段，种子磁场经历指数增长，和饱和制度。结果表明，拉格朗日分析检测结构更详细，除了提供信息的混沌混合性能的流量和磁场。将传统的利用有限时间李雅普诺夫指数检测拉格朗日相干结构的方法与最近发展起来的一种称为函数M的方法进行了比较。后者示出产生更清晰的图片，容易允许识别的双曲线区域中的磁场，其中混沌运输/分散的磁场线是高度增强的。
2012-10-24 astro-ph.SR nlin.CD physics.plasm-ph
Saturation of large-scale dynamo in anisotropically forced turbulence
由于磁螺旋度平衡的限制，湍流发电机理论在获得短动力学时间尺度上的大尺度磁场演化方面遇到了困难。这对于理解太阳、恒星和星系等天体物理系统中的大尺度磁场演化具有重要意义。直接数值模拟（DNS）在过去的各向同性强迫螺旋湍流表明，大规模发电机饱和时间尺度依赖于磁雷诺数（Rm）。在这项工作中，我们已经进行了周期性的盒DNS的螺旋强制湍流导致一个大规模的发电机与两种强迫功能，一个各向同性的基础上使用的PENCIL代码和各向异性的基于Galloway-Proctor流。我们表明，当湍流被迫各向异性，非线性（饱和）行为的大型发电机只有弱依赖于RM。事实上，各向异性情况下的磁螺旋度在小尺度和大尺度上的演化与各向同性情况下的磁螺旋度演化有明显的不同。这一结果可能为缓解灾难性淬火等重要问题带来希望。
2021-12-02 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.flu-dyn
Flux-transport and mean-field dynamo theories of solar cycles
我们指出的困难，进行直接数值模拟的太阳发电机问题，并认为，运动学平均场模型是我们最好的理论工具，目前详细解释太阳活动周期的各个方面。最有前途的运动学平均场模型是通量输运发电机模型，其中环向场由速跃层中的差动旋转产生，极向场由太阳表面的Babcock-Leighton机制产生，纬向环流起着至关重要的作用。取决于扩散率是高还是低，无论是扩散率或对流环流提供了主要的传输机制的极向场到达对流区的底部从顶部。我们指出，高扩散率通量输送发电机模型是一致的观测数据的各个方面。太阳活动周期的不规则性主要是由巴布科克-莱顿机制和日冕环流的波动产生的。我们总结了最近的工作，在磁通量传输发电机的纬向环流的波动，导致解释等事情的Waldmeier效应。
2012-11-02 astro-ph.EP astro-ph.IM astro-ph.SR
The magnetic shear-current effect: generation of large-scale magnetic fields by the small-scale dynamo
探讨了一种新的大尺度发电机机制--磁剪切电流效应。这种效应依赖于磁场波动与平均剪切流的相互作用，这意味着小规模发电机的饱和状态可以驱动大规模发电机-在某种意义上，发电机淬火的逆。发电机是非螺旋的，与平均场$α$系数为零，是由湍流电阻率的非对角分量和剪切流拉伸的大尺度场之间的相互作用引起的。继以前的数值和分析工作，本文提出了更详细的数值证据的效果，以及一个启发式的描述如何磁波动可以与剪切流相互作用，以产生所需的电动势。流体的压力响应是这一机制的基础，这有助于解释为什么磁效应比其运动学上的表亲更强，其基本思想与众所周知的磁波动缺乏湍流电阻率淬火有关。磁剪切流效应在一般高雷诺数天体物理湍流中的应用很有意义，因为在这种湍流中，强烈的小尺度磁波动普遍存在，磁剪切流效应很可能成为电离吸积盘非分层区域中大尺度发电机的候选者。这方面的证据进行了讨论，以及未来的研究方向和所面临的挑战与了解细节的影响，在天体物理学相关的制度。
2016-02-25 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.flu-dyn
Magnetic helicity fluxes in dynamos from rotating inhomogeneous turbulence
本文通过直接数值模拟研究了旋转非均匀湍流中的大规模发电机，发现剪切引起的半球小尺度磁螺旋度流能缓解灾难性发电机淬灭，使平均磁场独立于磁雷诺数。
2025-05-01 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.flu-dyn
Numerical simulations of the Tayler-Spruit dynamo in proto-magnetars
本研究通过三维直接数值模拟原中子星内部的稳定分层球形Couette流，发现Tayler不稳定性驱动的两条亚临界发电机分支，其偶极分支磁场强度符合磁星观测约束，为磁星形成提供了数值依据。
2023-08-26 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.flu-dyn
Run-away transition to turbulent strong-field dynamo
本文利用动态模式分解分析弱场与强场发电机状态间的转变，发现亚谐波不稳定性促成向强发电机的亚临界转变，并为降阶建模提供模态基础。
2025-05-10 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
