The combined effect of precession and convection on the dynamo action
为了了解地球和行星磁场的产生，我们数值研究了进动和对流对球壳发电机作用的综合影响。在低Ekman数下，研究了单独的对流、单独的旋进以及对流和旋进的组合效应，在低Ekman数下，旋进流动已经不稳定。结果表明，虽然单独的进动和对流不足以支持发电机作用，但由于进动和对流不稳定性的共振，进动和对流的联合作用可以支持发电机作用。这一结果可以解释为什么地球发电机与火星发电机相比维持了如此长的历史。
2016-08-02 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Dynamo Effects Near The Transition from Solar to Anti-Solar Differential Rotation
MHD数值模拟在理解恒星磁性机制方面发挥着越来越重要的作用。我们提出了模拟的对流和发电机在密度分层的旋转球壳流体。我们采用了一个新的三维模拟代码的物理一致的滞弹性模型的过程中的最小数量的参数的解决方案。报道的发电机模拟延伸到一个“浮力主导”制度，浮力强迫是占主导地位的，而科里奥利力不再平衡的压力梯度和强大的反太阳能差分旋转的发展结果。我们发现，自生磁场，尽管是相对较弱的，是能够扭转的差异旋转的方向，从反太阳的太阳。我们还发现，在这个制度中的对流明显强于在赤道地区的极地地区，导致非振荡偶极子为主的发电机解决方案，并在极地地区的磁场的浓度。我们观察到，对流有不同的形态在内部和外部的对流区同时，有组织的地转对流柱隐藏在近地表层的混合良好的高度混沌对流。虽然我们把注意力集中在浮力占主导地位的制度，我们还表明，锥形微分旋转配置文件和持久的定期发电机振荡可以得到的旋转占主导地位的制度，即使在这个极小模型的参数空间。
2015-09-02 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Small-scale dynamo action in rotating compressible convection
我们研究发电机行动在对流层的导电，可压缩流体，旋转的垂直轴。在上、下边界面上，磁场采用理想导电边界条件。两个不同层次的热分层被认为是。如果磁扩散率足够小，对流就像一个小型发电机。使用定义的磁雷诺数$R_M$是基于水平积分尺度和水平平均速度在中层的域，我们发现，旋转倾向于减少$R_M$的临界值以上的发电机行动观察。在旋转计算中，增加层内的热分层水平不会显著改变$R_M$的临界值，但它确实会导致非旋转情况下该临界值的降低。在磁雷诺数的最高可计算值处，发电机的饱和水平在所有情况下都是相似的，平均磁能密度在平均动能密度的4%和9%之间。为了进一步了解旋转和非旋转对流之间的差异，我们量化的拉伸性能的每个流通过测量李雅普诺夫指数。在远离边界的地方，由于流动而引起的拉伸率在旋转情况下比在相应的非旋转计算中对深度的依赖要小得多。它还表明，旋转的影响显着降低的磁能量耗散在层的下部。我们还研究了发电机的饱和机制的某些方面。
2011-10-03 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
Mean-Field Modeling of $α^2$-Dynamo Coupled with Direct Numerical Simulations of Rigidly Rotating Convection
采用笛卡尔几何直接数值模拟方法，探讨了刚性旋转分层对流中大尺度发电机的机制。一个平均场发电机模型也构造使用湍流速度剖面一致提取相应的DNS结果。通过DNS和我们的平均场模型之间的定量比较，它表明，振荡的$α^2$发电机波，激发和维持在对流区，是负责大规模的磁活动，如周期性极性反转和时空迁移。结果提供了强有力的证据表明，不均匀的$α$效应，这是一个自然的旋转分层对流的结果，可以是一个重要的先决条件，大规模恒星发电机，即使没有$Ω$效应。
2014-09-22 astro-ph.SR
The magnitude of viscous dissipation in strongly stratified two-dimensional convection
在天体物理系统中，对流必须防止耗散。虽然耗散的影响通常被认为是可以忽略不计的，但理论表明，在强分层对流流体中，耗散加热速率可以超过对流所携带的光度。在这里，我们探索这种可能性，使用一系列的数值模拟。我们认为二维数值模型的流体动力学对流在笛卡尔层的滞弹性近似下，并证明耗散加热速率确实可以超过所施加的光度。我们建立了一个理论表达式的耗散加热速率的比率出现在上边界的亮度，仅在层的深度和热标度的高度。特别是，我们表明，这个比例是独立的扩散系数，并确认这与一系列的数值模拟。我们的研究结果表明，耗散加热可能会显着改变恒星和行星的内部动力学。
2017-07-27 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Grand minima and intermittency in near-critical convection-driven dynamos
Institute of Physics, University of Graz（格拉茨大学物理研究所）；Institut für Sonnenphysik (KIS)（太阳物理研究所）
通过三维旋转磁流体动力学模拟发现，近临界对流驱动发电机的超临界性越低，长期变异性越强，弱超临界性是太阳极小期出现的原因，早期全球发电机模拟因超临界性过高未出现极小期。
2026-10-14 astro-ph.SR physics.flu-dyn
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
Global-scale Magnetism (and Cycles) in Dynamo Simulations of Stellar Convection Zones
年轻的太阳型恒星旋转迅速，磁场非常活跃。它们表面的磁场可能起源于它们的对流包络，在那里对流和旋转可以驱动强大的发电机作用。在这里，我们探讨了全球规模的恒星对流在快速旋转的太阳使用3-D MHD滞弹性球谐（ASH）代码的模拟。这些发电机中的磁场在全球范围内组织成跨越对流区的花环状结构。我们详细探讨了一种比太阳快五倍的情况。这种发电机模拟，称为案例D5，重复了全球尺度极性的准周期逆转。我们将这种情况D5与我们已经能够探索和讨论的更广泛的模拟家族进行比较，未来的模拟和观测如何促进我们对恒星发电机和磁性的理解。
2010-12-30 astro-ph.SR
Global-scale wreath-building dynamos in stellar convection zones
当像我们的太阳这样的恒星年轻时，它们旋转迅速，磁性非常活跃。本文用三维磁流体滞弹性球谐程序研究了快速旋转太阳中的发电机作用。这些发电机中的磁场在全球范围内组织成跨越对流区的花环状结构。构建花环的发电机可以经历准循环极性反转，这种行为在我们已经能够探索的参数空间中很常见。这些发电机似乎并不需要战术线来实现其空间或时间组织。在所有的旋转速率下，都存在一定程度上的绕圈发电机，但在更快速旋转的模拟中最为明显。
2010-11-01 astro-ph.SR
Dipolar dynamos in stratified systems
对低质量恒星的观测揭示了各种各样的磁场拓扑结构，从大尺度的轴向偶极子到更复杂的磁场。同时，对流驱动发电机的三维球形模拟再现了类似的多样性，这通常是通过Boussinesq模型或基于滞弹性近似的更现实的模型获得的，该模型考虑了整个对流区密度随深度的变化。然而，从不同的滞弹性研究的结论是，偶极解决方案似乎更难获得，只要考虑大量的分层。在本文中，我们的目的是澄清这一点，通过更详细地调查的影响，密度分层的偶极发电机。为此，我们依赖于一个系统的参数研究，使我们能够清楚地遵循的偶极分支的稳定域的密度分层增加的演变。密度分层的发电机发病和偶极子崩溃的影响进行了讨论，并与以前的Boussinesq结果。此外，我们的研究表明，偶极分支的损失并不随之而来的特定修改的发电机机制相关的背景分层，但可能会导致偏见，因为我们的观察自然有利于一定的域的参数空间的特点是适度的埃克曼数的值，由于目前的计算限制。此外，我们还表明，偶极分支的临界磁雷诺数几乎没有修改的密度分层的增加，这提供了一个重要的洞察力的全球理解的影响的密度分层的偶极发电机分支的稳定域。
2015-03-03 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Dynamos in Stellar Convection Zones: of Wreaths and Cycles
我们生活在一颗磁星附近，它的活动周期是由地表下的发电机驱动的。在太阳对流区，自转与等离子体运动相结合，形成高度组织化的磁场，这些磁场在太阳表面爆发，并经历相对规则的极性反转周期。尽管我们离太阳很近，但它的发电机的性质仍然难以捉摸，但对其他太阳型恒星的观察表明，表面磁性几乎是一个普遍存在的特征。近年来，对流和发电机作用的数值模拟取得了长足的发展。全球尺度的组织和循环磁性正在由几个小组在截然不同的太阳和恒星模拟中实现。在这里，我将谈谈在数值方面的进展，包括可能占据恒星对流区的花环状发电机。我将讨论新的模拟之间的相互作用，各类平均场模型，以及当前和即将到来的太阳和恒星观测。
2010-11-12 astro-ph.SR
Effects of a subadiabatic layer on convection and dynamos in spherical wedge simulations
我们考虑了对流区底部的亚绝热层对对流本身以及球楔几何中相关的大规模发电机的影响。我们使用基于Kramers不透明度定律的热传导处方，其允许对流区的深度动态地适应物理特性（例如旋转速率和磁场）的变化。我们发现，对流热输送强烈集中向赤道和极地地区的情况下，没有一个实质性的辐射层下的对流区。对流区下方稳定层的存在显著降低了径向焓输运的各向异性。此外，发电机的解决方案是敏感的对流区结构的细微变化。我们发现，在所有的运行在高纬度对流区的较深的部分的动力螺旋度变化的迹象。这个区域在具有较厚的稳定分层层的运行中逐渐向赤道扩展。
2019-01-02 astro-ph.SR
Compressible turbulent convection in highly stratified adiabatic background
本文通过三维直接数值模拟研究了高度分层绝热背景下的可压缩湍流对流，发现在耗散数超过临界值时，流动呈现强烈的统计不对称性、全局热传递显著降低以及稀疏热羽流穿透现象。
2023-07-20 astro-ph.SR physics.flu-dyn
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
Efficient small-scale dynamo in solar convection zone
我们通过一系列高分辨率的磁流体动力学模拟研究了太阳对流区中的小尺度发电机作用，在一个局部笛卡尔区域中，水平范围为1 $R_\odot$（太阳半径），径向范围为0.715到0.96 $R_\odot$。的分辨率和扩散率的解决方案的依赖关系进行了研究。对于小于350 km的网格间距，对流区底部附近的均方根磁场强度达到均分场强度的95%（即，磁能和动能相当）。对于这些解决方案的洛伦兹力反馈对流速度被发现是显着的。对流区底部附近的速度降低到流体动力学速度的50%。尽管对流速度显著降低，但焓通量的减少相对较小，因为磁场还抑制了上、下流区域之间熵的水平混合。这种效应增加了熵扰动的幅度，使对流能量传输更有效。我们讨论了太阳全球对流和发电机模拟这些结果的潜在影响。
2015-02-12 astro-ph.SR
On effects of surface bipolar magnetic regions on the convection zone dynamo
本文研究了表面双极磁区对对流区中大尺度发电机的影响。该研究采用非线性三维平均场发电机模型。我们通过非轴对称的磁浮力效应，它作用于对流区上半部分的大尺度环形磁场，模拟了BMR在表面上的出现。这种机制产生的非轴对称磁场是浅的。在表面上，BMR对磁场产生的影响占主导地位。{然而，由于BMR分布较浅，与对流区发电机相比，它对全球发电机的影响较小。我们发现作用于BMR非轴对称磁场的平均场$α$效应比BMR的倾斜效应对发电机过程的贡献更大。即便如此，BMR倾斜度的波动导致了全球发电机的平价制动。在表面的非轴对称磁场，这是由于BMR的活动产生的，在磁活动周期的最大值期间，低$\ell$模式的双螺旋谱的趋势与正号。
2022-05-20 astro-ph.SR
Baroclinically-driven flows and dynamo action in rotating spherical fluid shells
由于对太阳和恒星内部越来越详细的观测，稳定分层的恒星辐射带的动力学引起了相当大的兴趣。本文报道了第一个非轴对称和时间依赖性的模拟流滞弹性流体驱动的斜压扭矩在稳定分层旋转球壳-一个系统作为恒星辐射区的基本模型。随着斜压性的增加，从简单到更复杂的流的分叉序列被发现，其中一些可用的对称性的问题随后被打破。随着斜压性的增加，气流的极向分量相对于主导的环向分量而增加。磁场产生的可能性，从而出现，本文继续提供一些迹象，自持发电机行动在斜压驱动流。我们推测，稳定分层的恒星内部的磁场，因此不一定是化石的起源，因为它是经常假设。
2017-07-27 astro-ph.SR physics.flu-dyn
On the dynamical interaction between overshooting convection and an underlying dipole magnetic field -- I. The non-dynamo regime
受许多恒星内部深层动力学的启发，我们研究了过冲对流与辐射区大尺度极向场之间的相互作用。我们已经运行了一套三维Boussinesq数值计算在一个球壳，由一个对流区与底层的稳定区域，最初compatible包含一个偶极场。通过改变对流驱动的强度，我们发现，在湍流度较低的情况下，对流作为湍流扩散，比单纯的分子扩散更快地去除场。然而，在更湍流的制度，湍流泵送变得更有效，部分抵消湍流扩散，导致局部积累的字段下面的过冲区域。这些模拟表明，偶极场可能被限制在底层的稳定区域高度湍流对流运动在恒星参数。禁闭是平均意义上的大尺度场，我们表明，它是合理的平均场的想法建模。我们的研究结果是特别有趣的某些模型的太阳，这需要一个大规模的，极向磁场被限制在太阳辐射区，以同时解释后者的均匀旋转和薄的太阳速跃层。
2021-02-16 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Rotational Dependence of Large-scale Dynamo in Strongly-stratified Convection: What Causes It?
在具有对流湍流的刚性旋转磁流体动力学（MHD）系统中，当自旋速率足够大时，可以激发出$α^2$型大尺度发电机。本文采用平均场发电机模型结合磁流体对流的直接数值模拟，研究了$α^2$型发电机的转动相关性及其产生的原因。考虑到太阳/恒星发电机的应用，我们采用了强分层的多变性作为对流大气的模型。我们的DNS模型表明，$α^2$型发电机被激发时，${\rm Ro} \lesssim 0.1$，其中${\rm Ro}$是定义的体积平均对流速度的Rossby数。从相应的MF模型，我们证明了旋转依赖的$α^2$型发电机主要是由于湍流磁扩散的大小的变化。随着自旋速率的增加，湍流磁扩散减弱，而对流区的$α$效应基本保持不变，为大尺度发电机的激发提供了临界点。本文还从湍流电动势的转动依赖性的观点讨论了冷星中可观测到的恒星磁活动的${\rm Ro}$依赖性。总的来说，我们的研究结果表明，为了更好地掌握恒星发电机的活动和它的${\rm Ro}$依赖性，它应该是量化的对流速度的变化与恒星的自旋速率，考虑到旋转淬火和洛伦兹力反馈的磁场对流湍流。
2022-06-14 astro-ph.SR
Convection and dynamo action in B stars
主序星的大质量恒星拥有对流核心，可能具有强大的发电机作用。为了评估核心对流在这些恒星内的磁场建设中的作用，我们采用了3-D滞弹性球谐（ASH）代码模型湍流动力学在10个太阳质量的主序星（MS）的B型恒星旋转4倍的太阳率。我们发现，强（900 kG）的磁场出现在湍流的核心和渗透到稳定分层的辐射区。这些领域表现出复杂的，随时间变化的行为，包括磁极性的逆转和移动之间的半球占主导地位的总磁能。
2010-11-03 astro-ph.SR
Contrasting turbulence in stably stratified flows and thermal convection
本文对比了稳定层结湍流和湍流热对流的性质。这些流动之间的一个关键区别是浮力动能馈送的符号$\mathcal{F}_B$。对于SST，由于其稳定的性质，动能通量$\mathcal{F}_B < 0$随波数$k$减小，导致动能谱$E_u(k) \sim k^{-11/5}$陡峭。湍流对流是不稳定的，因此$\mathcal{F}_B > 0$导致$Π_u(k)$与$k$增加;然而，由于浮力相对较弱，这种增加是边际的，因此$E_u(k) \sim k^{-5/3}$与流体动力学湍流相似。本文还描述了上述系统的守恒通量。
2019-02-18 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Azimuthal dynamo wave in spherical shell convection
我们报告的方位角发电机波的低阶（m=1）模式中的直接数值模拟（DNS）的湍流对流球壳的发现。这样的波预测的平均场发电机理论，并已获得以前的平均场模型。测光和多普勒成像的观测结果都揭示了几颗快速旋转恒星的斑点持续漂移，但是，尽管方位角发电机波被认为是造成这种行为的可能机制，但它被认为是不可能的，因为缺乏来自DNS的这种波的实际证据。在我们的DNS中的大规模磁场，这是由于自洽发电机作用，是由一个逆行的m=1模式为主。它的图案速度几乎与纬度无关，并且不反映任何深度的差异旋转速度。磁性m=1结构的极值与温度m=2结构的最大值相吻合。这些结果提供了直接支持所观察到的漂移是由于方位角发电机波。
2013-09-26 astro-ph.SR
Helicity inversion in spherical convection as a means for equatorward dynamo wave propagation
我们在这里讨论一个纯粹的流体动力学机制来反转的动力学螺旋度，这起着关键作用，在大多数模型的发电机行动旋转对流的周期性磁性的传播方向确定的符号。这种传播为发电机模型提供了一个突出而令人困惑的约束。在太阳中，活动区域首先出现在中纬度地区，然后在一个周期的过程中出现在赤道附近，但大多数以前的全球规模发电机模拟都显示出向极传播（如果它们是周期性的话）。在这里，我们强调一些模拟中，发电机波的传播方向主要是改变了整个大部分的内部的动力学螺旋度的反转，而不是由差异旋转的变化。这往往发生在具有低普朗特数和内部加热的情况下，在局部密度梯度相对较小的区域中。我们分析了这种逆温是如何产生的，并将其与对流的情况进行了对比，对流要么是高度柱状的（即，在这两种情况下，动力螺旋度的典型廓线（北半球大部分地区为负值）反而占主导地位。
2015-12-03 astro-ph.SR
Nonlinear interaction between dynamo-generated magnetic fields, mean flows and internal gravity waves in stellar stably-stratified layers: From 3D to 1D
Laboratoire de Physique de l’Ecole normale superieure ENS Universite PSL CNRS Sorbonne Universite Universite de Paris（巴黎高等师范学院物理实验室）；Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA) Northwestern University（西北大学天体物理学跨学科探索与研究中心）；Laboratoire d’Instrumentation et de Recherche en Astrophysique (LIRA) Observatoire de Paris Université PSL Sorbonne Université Université Paris Cité CY Cergy Paris Université CNRS（巴黎天文台天体物理仪器与研究实验室）；Université Paris-Saclay CNRS Institut d’astrophysique spatiale（巴黎萨克雷大学空间天体物理研究所）；Departament d’Astronomia i Astrofisica Universitat de Valencia（瓦伦西亚大学天文学与天体物理学系）；Institut Universitaire de France (IUF)（法国高等研究院）
研究恒星稳定分层层中发电机场、均流和内部重力波的非线性相互作用，提出基于1D平均场模型的动态建模方法，揭示磁场对旋转剪切层振荡的影响。
2026-02-02 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Large-scale dynamos in rapidly rotating plane layer convection
内容：对流驱动的流动在发电机过程中起着至关重要的作用，发电机过程是恒星和行星产生磁场活动的原因。为什么许多天体物理学上的磁场都有一个显著的大尺度分量，这一点仍然没有完全弄清楚。目的：我们的目的是研究可压缩对流在快速旋转的笛卡尔域的发电机性能，专注于一个参数制度，其中底层的流体动力学流动是已知的是不稳定的大规模涡不稳定。方法：数值求解三维非线性磁流体动力学（MHD）控制方程。不同的数值方案进行了比较，我们提出了一个可能的基准情况下，其他类似的代码。结果：与以前的相关研究一致，我们发现在这个参数区的对流可以驱动一个大规模的发电机。平均水平磁场的分量振荡，导致平均场的连续整体旋转。虽然大规模的旋涡不稳定性占主导地位的系统的早期演变，它被抑制的磁场，使一个可以忽略不计的平均电动势，负责驱动大型发电机。发电机的循环周期与欧姆衰减时间相当，对流系统中发电机的循环周期更长，更接近于开始。在这些特定的模拟中，只有当在上下边界处采用垂直磁场边界条件时，才发现大规模的发电机作用。强调制的大规模发电机被发现在较高的瑞利数，减少活动（“大极小”的事件）发生在瞬态阶段，其中大规模的漩涡暂时重新建立自己，然后再次被抑制的磁场。
2018-01-15 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Scale Selection in the Stratified Convection of the Solar Photosphere
我们研究了层结在确定湍流滞弹性对流尺度中的作用。出于在太阳光球对流中观察到的尺度范围，我们进行局部数值模拟对流的一系列密度对比在大的域。我们分析了欧拉和拉格朗日统计的对流，并表明，增加分层移动的规模最充满活力的结构中的流到更小的尺度;此外，垂直到水平的对流的相对振幅随分层增加而减小。我们讨论了我们的研究结果的太阳mesogranulation问题的影响。
2018-03-04 astro-ph.SR
Mean-field solar dynamo models with strong meridional flow at the bottom of the convection zone
本文研究了一个在对流区底部有一个深滞止点和强回流的纬向环流的运动学轴对称平均场发电机模型。这种环流来自太阳对流区角动量平衡的平均场模型。我们表明，这类纬向环流有可能构建在某些方面类似于太阳黑子磁活动周期的运动发电机模型。发电机模型包括湍流源的大规模极向磁场生产，由于动力学螺旋度和综合效应，由于科里奥利力和大规模的电流。在这些模型中，环向磁场，这是负责太阳黑子的生产，是集中在对流层的底部，并通过纬向流传输到低纬度地区。极向场的纬向分量也集中在对流区的底部，而径向分量则集中在近极区。这些问题可能是由给定的纬向环流型和对流区内磁扩散率的分布引起的。特别是在近赤道地区，环向分量和极向分量之间的相位关系与观测结果不一致。此外，我们表明，磁循环的周期可能并不总是单调减少的纬向流速度的增加。因此，对于进一步的进展，重要的是确定的纬向环流的结构，这是一个关键的属性，从日震观测。
2011-04-07 astro-ph.SR
Dynamo cycles in global convection simulations of solar-like stars
几颗类太阳恒星表现出类似于太阳的周期性磁场活动，如在光球和色球层发射中发现的。我们希望了解这些活动周期的旋转依赖性所涉及的物理机制。我们使用三维磁流体动力学模拟的全球对流发电机模型的类太阳恒星的发电机的旋转依赖性进行调查。我们进一步应用测试场方法来确定这些模拟中的$α$效应。我们发现发电机具有明确的振荡平均磁场为中度和快速旋转运行。对于较慢的旋转，场是恒定的或呈现不规则的周期。在中等和快速旋转区，循环周期随旋转而微弱增加。这种行为可以很好地解释与帕克-吉村发电机波赤道旅行。尽管$α$效应随着旋转的增加而变得更强，但剪切减小得更陡，导致这种对旋转的弱依赖性。与其他数值研究类似，我们没有发现Brandenburg等人（1998）提出的活动分支。然而，我们的模拟似乎更符合Distefano et al.（2017）和Olspert et al.（2017）提出的过渡分支。如果太阳表现出类似于我们在模拟中发现的发电机波，它将在对流区深处运行。
2018-05-07 astro-ph.SR
Convective dynamo action in a spherical shell: symmetries and modulation
本文研究了球壳中三维旋转滞弹性对流驱动的发电机作用。出于对太阳发电机的行为，我们研究了不同对称性的磁流体模式的相互作用，并演示了如何复杂的对流，差分旋转和磁场之间的相互作用可能会导致调制的基本周期。对于一些参数，类型1调制通过在不同对称性的模式之间的能量转移而发生，而整体振幅几乎没有变化，对于其他参数，调制是类型2，其中振幅受到显著影响（导致活性的极大极小值），而对称性没有显著变化。最重要的是，我们确定了存在的“超调制”的解决方案，其中的活动之间的1型和2型调制混乱切换，这被认为是一个重要的过程中的太阳活动。
2016-07-04 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Data assimilation for stratified convection
我们展示了如何3DVAR数据同化方法可以用于天体物理背景下的二维对流。我们研究的方式变分的方法发现最佳估计的当前状态的流量从一个加权平均的模型状态和观察。我们使用数值模拟生成合成观测的太阳对流区的外部的一个垂直的二维切片的不同的噪声水平和实施3DVAR时，协方差矩阵是标量。我们的仿真结果表明，3DVAR的能力，产生误差估计的系统状态之间的原始噪声水平以下的观察到树的数量级。本文的工作说明了资料同化技术在层结对流模拟中的重要性。
2012-07-31 astro-ph.SR
A Babcock-Leighton-type Solar Dynamo Operating in the Bulk of the Convection Zone
在大多数Babcock-Leighton（BL）型太阳发电机模型中，环向磁场被假定产生于速跃层中，其中极向场是由太阳黑子群的出现和随后的消散产生的。然而，磁活动的充分对流的恒星和MHD模拟的全球恒星对流最近提出了严重的怀疑，在产生的环向场的速跃层的重要性。在这项研究中，我们的目标是开发一个新的BL型发电机模型，其中发电机主要在对流区的大部分内运行。我们的二维模型包括太阳的差异旋转，单细胞的纬向流，近表面的径向泵，强湍流扩散，BL型极向源，和非线性反作用的磁场的源与垂直的外边界条件的影响。该模型导致一个简单的偶极配置的极向场，具有主导的纬向分量，这是由纬向剪切内的对流区的大部分，以产生的环形磁通量卷起。因此，速跃层在模型中的作用可以忽略不计。该模型再现了太阳活动周期的基本特性，包括：（a）大约11年的周期和18年的延长周期;（b）反对称环向场从高纬度开始向赤道方向传播;（c）与观测结果一致的极场演变。我们的模型打开了一个范式转变的可能性，在理解太阳周期过渡到经典的通量传输发电机。
2022-04-29 astro-ph.SR
Generation of a large-scale vorticity in a fast rotating density stratified turbulence or turbulent convection
在滞弹性近似下，我们发现了一种不稳定性，这种不稳定性会导致在快速旋转的小尺度湍流或湍流对流中产生大尺度涡量，并且沿旋转轴具有非均匀流体密度。大尺度不稳定导致两种模态的激发：（i）以垂直涡度为主的模态，其平均速度与垂直坐标无关;（ii）以水平涡度为主的模态，其平均动量与垂直坐标无关。在快速旋转的密度分层流体动力学湍流或湍流对流中，可以激发出以垂直涡量为主的模态。对于这种模式，平均熵在气旋性涡旋内部耗尽，而在反气旋性涡旋内部增强。只有在快速旋转的密度分层湍流对流中才能激发出以水平涡为主的模态。发展的理论可能与解释在大行星中观察到的巨大风暴的大斑点的起源有关，例如，木星的大红斑和土星的大斑点。它也可能有助于解释快速旋转的晚型恒星中高纬度斑点的起源。
2019-11-27 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Large-scale-vortex dynamos in planar rotating convection
最近的几项研究已经证明了大尺度涡旋如何在旋转平面对流中自发产生。在这里，我们研究发电机性能的旋转Boussinesq对流等流量。对于中等值的磁雷诺数（$100 \lesssim Rm \lesssim 550$，其中$Rm$基于盒深度和对流速度），产生大尺度（即系统尺寸）磁场。磁能的振幅随时间振荡，与大尺度涡旋的振荡振幅几乎异相。一旦磁场达到临界强度，大尺度涡旋就会被破坏，这表明这些振荡是磁源的。发电机机制依赖于那些长度尺度介于大尺度涡旋和典型对流单体尺寸之间的流动分量;不需要较小尺度的流动。尽管大尺度涡旋基本上是二维的，但它在磁感应强度中起着至关重要的作用;因此，我们将这种发电机称为大尺度涡旋发电机。对于较大的磁雷诺数，发电机是小规模的，具有在对流单体的规模达到峰值的磁能谱。在这种情况下，小尺度磁场通过破坏允许其形成的对流速度之间的相关性来持续抑制大尺度涡旋。因此，在高$Rm$时对大尺度涡旋的抑制可能限制了大尺度涡旋发电机与具有中等$Rm$值的天体（如行星）的相关性。在这种情况下，在低磁普朗特数的大规模涡流发电机的操作能力是极大的兴趣。
2017-01-31 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
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
A Compressible High-Order Unstructured Spectral Difference Code for Stratified Convection in Rotating Spherical Shells
我们提出了一个新的和强大的可压缩高阶非结构谱差分（CHORUS）代码模拟热对流和相关的流体动力学在恒星和行星的内部。计算几何被视为旋转球壳充满分层气体。在非结构网格上，采用一种稳健高效的高阶谱差分方法（SDM）对流体动力学方程进行离散。谱差分法的计算模板是紧凑的，有利于并行处理。CHORUS在本文中报告的所有测试用例中都展示了出色的并行性能，在NCAR的黄石高性能计算集群上扩展到12，000个核心。通过定义木星和太阳中的全球对流的两个基准案例来验证代码。CHORUS的计算结果与ASH程序的计算结果进行了比较，两者吻合良好，CHORUS程序为模拟诸如多尺度太阳对流、核心对流以及快速旋转扁圆恒星中的对流等各种现象创造了新的机会。
2015-03-06 astro-ph.IM astro-ph.SR physics.comp-ph
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
Dynamo action and magnetic buoyancy in convection simulations with vertical shear
太阳黑子形成的一个假设是，在速跃层强烈的径向剪切力产生的磁通量管浮起。在这种情况下，磁场必须超过一个阈值，然后才能浮起来，并出现在整个对流区。我们遵循随机种子磁场的演变，目的是研究在什么条件下有可能激发发电机的不稳定性，以及发电机产生的磁场是否会变得不稳定，并出现在磁通管上下文中预期的表面。我们进行数值模拟的可压缩湍流对流，包括垂直剪切层。像太阳速跃层一样，切变位于对流层和稳定层之间的界面。我们发现剪切和对流能够放大初始磁场，形成大尺度的细长磁结构。磁场强度取决于几个参数，例如剪切振幅、剪切层的厚度和位置以及磁雷诺数（$\Rm$）。每当环形磁场达到大于接近均分值的阈值的幅度时，它就变得有浮力并上升到对流区中，在对流区中它膨胀并形成蘑菇形结构。某些浮现事件，即初始场振幅最大的事件，能够到达域的最上层。这些事件能够修改对流模式，形成更广泛的对流单体或对流涡在该领域的方向上延长。然而，在这些事件中，场都不保持其初始结构。
2011-02-16 astro-ph.SR
Dependence of magnetic cycle parameters on period of rotation in nonlinear solar-type dynamos
太阳型恒星的磁活动参数取决于恒星对流区发电机过程的性质。本文应用非线性平均场轴对称$α^2Ω$发电机模型计算了自转周期为15 ~ 30天的太阳类星体表面的发电机周期、总磁通量和坡印亭磁能通量等磁循环参数。该模型考虑了大尺度发电机的主要非线性机制，如磁螺旋度守恒，磁浮力，以及磁力对对流区内角动量平衡的影响。此外，我们考虑两种类型的发电机模型。分布式（D型）模型采用分布在整个对流区的标准α效应。“边界”（B型）模型采用非局部α效应，它被限制在对流区的边界。D型和B型模型都表明，恒星自转速率越大，发电机产生的磁通量越大。{It发现在所考虑的转动周期范围内，磁螺旋度守恒对发电机的非线性猝灭有最显著的影响。这种猝灭在B型发电机模型中比在D型发电机模型中更有效。D型发电机再现了观测到的太阳类似物的周期周期对自转速率的依赖性。对于周期为15天的太阳模拟旋转，我们发现非线性发电机制度与多重周期。
2015-05-07 astro-ph.SR
Mean-field theory of differential rotation in density stratified turbulent convection
本文发展了密度分层湍流对流中微分旋转的平均场论。该理论基于湍流热通量和湍流对流各向异性对雷诺应力的综合影响。求解了雷诺应力方程、熵涨落方程和湍流热通量方程组成的耦合动力学收支方程组。为了关闭这些方程的系统，谱τ方法，这是有效的大雷诺数和Peclet数，已被应用。所采用的背景湍流对流模型考虑了湍流各向异性的增加和湍流相关时间随旋转速率的减小。这个理论得到的差自转径向分布与太阳差自转的径向分布一致。
2018-03-15 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Viscous Dissipation and Dynamics in Simulations of Rotating, Stratified Plane-layer Convection
本文利用 Dedalus 模拟非弹性理想气体的旋转密度分层平面对流，揭示剧烈对流下积分耗散加热与黏度、热扩散率无关，并阐明旋转如何改变耗散空间分布、动能通量及热输运。
2024-01-22 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Convective Babcock-Leighton Dynamo Models
我们提出了第一个全球性的，三维模拟的太阳/恒星对流，考虑到磁通量出现的Babcock-Leighton（BL）机制的影响。我们已经表明，包含BL极向源项的对流模拟可以促进循环活动，否则稳定发电机。一些周期性质让人想起太阳观测，例如对流区底部附近的环形通量向赤道传播。然而，在这个年轻的太阳（旋转速度比太阳速率快三倍）的周期是非常短的（$\sim$ 6个月），目前还不清楚是否可以实现更长的周期在这个建模框架内，由于高效率的场生成和传输的对流。即便如此，在三维对流模拟中纳入平均场参数化来解释通量出现等难以捉摸的过程，可能会在未来的太阳和恒星活动周期建模中证明是有用的。
2012-01-12 astro-ph.SR
Bipolar magnetic spots from dynamos in stratified spherical shell turbulence
Mitra等人（2014年）的最新研究表明，在具有螺旋度的强分层强制双层湍流中，下层具有相应的大尺度发电机作用，上层出现磁场，其形式为边界清晰的双极磁点。在这里，我们将这个模型扩展到球楔几何，覆盖北半球高达75°纬度和180°的方位角范围。动力螺旋度和大尺度磁场在低纬度最强。对于中等强度的层结，形成几个两极点，最终填满整个纵向范围。在早期，斑点的极性反映了下面的方位场的方向，正如Ω形通量环所预期的那样。在后期，它们的倾斜变化，使得在相隔约10°的不同纬度处存在相反方向的径向场。我们的模型表明，自发形成的斑点的大小远远大于压力标度的高度。他们倾向于产生接近统一的填充因子被认为是让人想起高度活跃的恒星。我们证实，强烈的分层和强烈的尺度分离是必不可少的成分背后的磁点形成，这似乎是与在较大的深度下降流。
2015-06-02 astro-ph.SR
Slow convection and fast rotation in crystallization-driven white dwarf dynamos
最近有人提出，白矮星产生磁场的过程类似于地球。地核的结晶化产生了一种驱动对流的成分反转，结合旋转，这可以维持一个磁发电机。我们重新分析发电机机制，所产生的缓慢结晶的核心，并发现对流周转时间$t_{\rm conv}$的几周到几个月-长的数量级比以前认为的。随着白矮星自旋周期$P\ll t_{\rm conv}$，结晶驱动的发电机几乎总是在快速旋转的制度，其中磁场$B$至少是在均分与对流运动，并可能进一步增强了一个因素的$B\propto (t_{\rm conv}/P)^{1/2}$，这取决于假设的发电机标度律。我们使用MESA跟踪结晶核心的生长，并计算磁场$B(T_{\rm eff})$作为白矮星的有效温度$T_{\rm eff}$的函数。我们将这一预测与观测结果进行了比较，结果表明，结晶驱动的发电机可以解释一些-但不是全部-单个白矮星测量的$\sim$ MG磁场，以及在激变变量中测量的白矮星更强的磁场，这些磁场是由质量吸积旋转到短$P$的。我们的$B(T_{\rm eff})$曲线也可以解释在$T_{\rm eff}\approx 7500\textrm{ K}$周围有巴耳末发射线的白矮星的聚集。
2022-05-15 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
Impacts of small-scale dynamo on rotating columnar convection in stellar convection zones
Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung（马克斯·普朗克太阳系研究所）
研究揭示小尺度发电机对恒星对流区旋转柱状对流的影响，通过比较HD和MHD模拟，发现SSD影响热量和角动量传输，并改变主导力平衡。
2025-09-23 astro-ph.SR
Numerical simulation of convection in K dwarfs
我们对一颗质量为0.7太阳质量的K矮星在太阳自转周期内的对流区进行了数值模拟。我们研究了对流模式，微分旋转和旋转流，和发电机产生的磁场。我们发现，对于这种类型的恒星，太阳自转周期代表了一个相当快的旋转和微分太阳型的情况。一个发电机产生的大尺度场出现，但它既不是偶极的，也没有显示出一个简单的活动周期。
2023-01-24 astro-ph.SR
Convection-driven spherical shell dynamos at varying Prandtl numbers
背景：恒星对流区的特点是在低普朗特数下剧烈的高雷诺数湍流。目的：我们研究发电机和差分旋转制度在不同水平的粘性，热，磁扩散。研究方法：我们进行三维模拟分层完全可压缩磁流体动力学对流旋转球楔在不同的热和磁普朗特数（从0.25到2和5，分别）。结果如下：我们发现，高的热扩散率的旋转配置文件显示出单调增加的角速度从对流区的底部到顶部，从两极向赤道。对于足够快的旋转，一个负的径向剪切区域的发展在中纬度地区的热扩散率降低。这与发电机模式从向极传播活动带向赤道传播的变化相吻合。此外，循环的解决方案消失在最高的磁雷诺数。在本文研究的范围内（$5-151$），总磁能随磁雷诺数的增加而增加，但平均磁场的能量在高磁雷诺数时趋于平稳。在最高磁雷诺数下，差旋受磁场的影响很大，几乎消失。在我们的一些最动荡的情况下，我们发现，两个制度是可能的，其中之一的差分旋转是强大的，平均磁场相对较弱，反之亦然。结论：我们的模拟表明，一个强大的非线性反馈的磁场的差分旋转，导致定性的变化，在大规模发电机的行为在高磁雷诺数。此外，我们没有发现迹象的模拟接近渐近制度的结果将是独立的扩散系数。
2016-09-12 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
Solar overshoot region and small-scale dynamo with realistic energy flux
我们进行了高分辨率的计算，太阳的超调区域与前所未有的现实参数，特别是小的能量通量相比，$ρc^3_\mathrm{s}$，其中$ρ$和$c_\mathrm{s}$是密度和声速。我们的主要目的是调查行为的过冲和小规模发电机的参数尽可能接近太阳。我们的计算表明，对流区的底部变得亚绝热，这有效地抑制了下降流。因此，我们看到从CZ到RZ的陡峭过渡，其宽度估计为局部压力标度高度的0.4%。这一结果与半解析对流/过冲模型是一致的。我们还发现，小规模发电机成为有效的较小的能量通量。突然抑制对流区底部周围的下降流，提高了小型发电机的效率。
2017-06-20 astro-ph.SR
Solar differential rotation: origin, models, and implications for dynamo
日震学表明，太阳内部的对流和差异旋转所占据的区域几乎重合。这支持了对流和旋转之间相互作用的结果的差分旋转起源的领先理论概念。这个演讲概述了差动旋转理论的现状。基于该理论的数值模型非常接近地再现了观测到的太阳自转。该模型还计算了对流区的对流，并预测对流区底部的流动与表面相比并不小。讨论了作为恒星质量和自转速率函数的恒星差分自转的理论预测，并与观测结果进行了比较。简要讨论了太阳和恒星发电机的微分自转模型的意义。
2011-10-11 astro-ph.SR
Small-scale dynamos: From idealized models to solar and stellar applications
本文综述小尺度发电机从宁静太阳观测、理想化运动学增长与非线性饱和模拟，到太阳及类太阳恒星对流发电机应用的研究进展。
2023-05-04 astro-ph.SR
Alpha effect and dynamo in density-stratified turbulence with large-scale shear: applications to protoplanetary discs and astrophysical clouds
Ben-Gurion University of Negev（内盖夫本-古里安大学）
研究密度分层湍流与大尺度剪切共同作用产生的α效应和平均场发电机效应，探讨其在原行星盘和天体物理云中的应用。
2026-03-18 astro-ph.EP astro-ph.GA 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
