Critical Balance and Scaling of Strongly Stratified Turbulence at Low Prandtl Number
我们扩展了稳定分层湍流的标度关系，从单位普朗特数的地球物理制度的天体物理制度的非常小的普朗特数适用于稳定分层区域的恒星和气体巨星。当普朗特数下降到浮力雷诺数的倒数（即$PrRb<1$）以下时，发现发生向新的湍流状态的过渡，这表明浮力方程中的主导平衡发生了变化。临界平衡参数的应用，然后推导出新的预测的各向异性能谱和占主导地位的平衡的Boussinesq方程的$PrRb\ll1$制度。我们发现，所有的标准标度关系的单位$Pr$稳定分层湍流极限简单地结转，如果弗劳德数，$Fr$，是由一个修改的弗劳德数，$Fr_M\equiv Fr/(PrRb)^{1/4}$取代。地球物理学和天体物理学的制度，从而顺利地连接在整个$PrRb=1$过渡。讨论了该方法在恒星辐射带垂直输运中的应用以及对小尺度发电机不稳定性判据的修正。
2022-12-30 astro-ph.SR physics.ao-ph physics.flu-dyn
Evolution of random initial magnetic fields in stably stratified and barotropic stars
已知长寿命的磁场存在于主序上部恒星、白矮星和中子星中。为了探索这些恒星内部磁场可能的平衡配置，我们使用{ \sc Pencil Code}（一种高阶有限差分代码，用于在存在磁场的情况下可压缩流体动力学流动），使用理想气体状态方程对稳定分层和正压恒星中初始随机磁场的演化进行了3D磁流体动力学模拟。在正压（等熵）星，我们确认以前的结果在这个意义上说，所有的初始磁场，我们试图衰减了，无法达到一个稳定的平衡。在稳定分层的恒星（具有径向增加的比熵）的情况下，最初的随机磁场似乎总是演变到一个稳定的平衡。然而，这种平衡的性质取决于所考虑的耗散机制。如果包括磁扩散率（或超扩散率），则最终状态比初始状态更轴对称并且由大波长主导，而如果仅存在粘性（或超粘性），则情况并非如此。在真正的恒星中，使它们放松到平衡状态的主要机制可能是相混合，我们认为粘性更接近于相混合。因此，我们得出结论，根据其形成机制，这些恒星中的平衡磁场原则上可能非常不对称。
2021-11-20 astro-ph.SR
Tidal dissipation in stably stratified and semi-convective regions of rotating giant planets: incorporating Coriolis forces
本研究建立纳入科里奥利力的球形布西涅斯克模型，发现旋转巨行星的稳定分层流体核可显著增强惯性波与重惯性波的潮汐耗散，足以解释土星卫星迁移率，对系外巨行星潮汐演化也有重要意义。
2023-11-06 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
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
Penetration of a cooling convective layer into a stably-stratified composition gradient: entrainment at low Prandtl number
本研究通过低Pr二维模拟和解析模型，揭示了冷却对流层穿透稳定分层成分梯度的卷吸机制及效率影响因素，完善了低普朗特数下的对流卷吸理论。
2021-06-28 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Internal gravity waves in the energy and flux budget turbulence-closure theory for shear-free stably stratified flows
本文提出了考虑重力重力内波与无剪切稳定层结湍流双向耦合的能量通量平衡湍流闭合理论。该理论基于IGW的总（动能加势能）能量的收支方程、流体湍流的动能和势能的收支方程以及波浪和流体流动的位温的湍流通量。在一定高度处发射的波向上传播，并且波浪能的损失导致湍流能的产生。我们证明，由于非线性效应更强的波浪产生更强的湍流，这反过来又导致IGW的强阻尼。结果表明，较强的波浪的穿透长度比较弱的IGW的穿透长度短。弱IGW产生的湍流各向异性比强IGW产生的湍流各向异性强。低振幅IGW产生的湍流占湍流势能的90%。这类似于所观察到的高空对流层强各向异性（近二维）湍流的性质。
2019-06-24 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.ao-ph
Energy Conservation and Gravity Waves in Sound-proof Treatments of Stellar Interiors: Part I Anelastic Approximations
恒星内部的典型流动比声速慢得多。为了跟踪亚音速运动的缓慢演化，各种隔音方程被广泛使用，特别是在恒星天体物理流体动力学中。这些低马赫数方程包括滞弹性方程。一般来说，这些方程在近似绝热分层的区域（如恒星对流区）是有效的，但在亚绝热、稳定分层的恒星辐射内部可能无效。了解对流区和辐射内部之间的耦合是一个至关重要的问题，可能对太阳和恒星发电机理论有很强的影响，因为两者之间的界面，称为太阳的速跃层，在许多太阳发电机理论中起着至关重要的作用。本文研究了稳定层结大气中重力波的性质。特别是，我们探讨如何处理重力波在各种隔音方程。我们发现，一些滞弹性处理无法保存能量在稳定的分层大气，而不是保存伪能量，取决于分层，我们证明了这一点的数值。一个滞弹性方程组在所有的大气中都是能量守恒的，我们提供了将低马赫数滞弹性代码转换成这组方程的建议。
2012-07-11 astro-ph.SR physics.flu-dyn
A hierarchy of energy- and flux-budget (EFB) turbulence closure models for stably stratified geophysical flows
本文从湍流动能、位能、动量通量和浮力通量的收支方程和湍流耗散时间尺度的松弛方程出发，提出了湍流能量和通量收支闭合的物理背景。该闭合是为从中性到非常稳定的分层地球物理流设计的，并考虑了地球自转。根据现代实验证据，封闭性意味着在任何梯度理查森数Ri下，速度切变都能维持湍流，并区分两种主要不同的状态：Ri << 1时的“强湍流”，典型的边界层流，其特征是湍流普朗特数几乎恒定;以及Ri > 1时的“弱湍流”，这是自由大气或深海的典型特征，其中湍流普兰特数随着Ri的增加而渐进线性增加（这意味着与动量传递相比，对热量传送的抑制非常强）。在不同的应用中使用，封闭制定在不同层次的复杂性，从本地代数模型相关的稳定状态的湍流制度的层次结构的非本地封闭，包括更简单的下降梯度模型，提出的涡流粘度和涡流传导率，和一般的非梯度模型的基础上预测方程的湍流，包括湍流通量的所有基本参数。
2015-05-12 astro-ph.SR physics.ao-ph physics.flu-dyn
Anisotropic turbulent transport in stably stratified rotating stellar radiation zones
自转是影响恒星演化的重要物理机制之一。日震学和星震学揭示了在整个赫兹-罗素图上恒星辐射带的角动量的强提取。在不同旋转的稳定分层恒星辐射区的湍流输运应仔细模拟和评估其强度。层结和旋转意味着这种湍流输送是各向异性的。只有唯象的处方已提出的运输在水平方向上，但构成了基石，目前的理论形式主义恒星流体动力学的演化代码。我们推导出一个新的理论处方的各向异性的湍流运输辐射区使用的湍流，同时考虑稳定的分层，旋转和径向剪切的光谱形式主义。在此基础上，导出了由径向差动旋转不稳定性维持的三维湍流运动所引起的水平湍流输运。我们实现了这个框架中的恒星演化代码STAREVOL和量化的旋转和结构演化的低质量恒星从前主序星红巨星分支的影响。湍流输运的各向异性标度为$N^4τ^2/\left(2Ω^2\right)$、$N$和$Ω$，分别为浮力和旋转频率，$τ$为表征湍流源的时间。这导致了类似的强度的水平湍流输送的平均值，那些获得与先前提出的处方，即使它可以是局部较大的对流包络线以下。因此，仍然需要一种补充的输运机制，如内部重力波或磁场，来解释观测到的沿恒星演化的角动量强输运。
2018-08-06 astro-ph.SR physics.ao-ph physics.flu-dyn
Layer formation in a stably-stratified fluid cooled from above. Towards an analog for Jupiter and other gas giants
本研究通过二维数值模拟探究上方冷却的稳定分层流体的层结形成机制，发现高Pr下会因热边界层不稳定性形成对流层，低Pr下则不会，且长期来看流体最终完全混合，对气态巨行星一维演化模型提出了挑战。
2022-11-28 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.ao-ph
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
Tayler-Spruit dynamo in stably stratified rotating fluids: Application to proto-magnetars
本研究利用 MagIC 三维 MHD 模拟考察稳定分层旋转 PNS 中的 Tayler–Spruit 发电机，验证强分层下的自持放大与 Fuller 等标度律，发现间歇性状态，并标定磁星形成及恒星角动量输运模型。
2024-07-01 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.flu-dyn
The effects of rotation on wave-induced transport in stars: from weakly to strongly stratified radiative zones
内波在恒星辐射带中的传播可以导致有效的角动量输运，这应该发生在恒星的整个生命周期中。因此，它们在形成这些区域的内部旋转轮廓方面发挥着关键作用，可以通过星震学进行探测。我们提出了一个新的分析研究他们的传播和耗散赤道面附近。我们包括旋转和差异旋转的影响，而不作任何假设，其相对强度相对于背景稳定层结。这个分析框架允许在原则上扫描波引起的角动量传输的效率。计算从主序前开始，在主序期间，与旋转和分层相关的回复力可以具有相同的顺序，到演化的后期阶段，分层倾向于主导旋转。最后讨论了类太阳恒星情况下的第一个应用。
2018-11-07 astro-ph.SR
Tidal dissipation in stratified and semi-convective regions of giant planets
本研究采用理想化全球球形 Boussinesq 模型，探讨稳定分层与半对流层对巨行星内部内波产生及潮汐耗散率的影响，发现稳定分层能在特定频率范围内显著增强潮汐耗散，并可能解释木星和土星的高耗散率。
2023-04-24 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Near- and Far-Field Response to Compact Acoustic Sources in Stratified Convection Zones
在一个简单的多方模型中，探讨了与太阳内波场中致密源相关的声学连续统的作用。连续体产生一种近场声学结构-所谓的“声学护套”-这种结构不能用离散简正波的叠加来表示。特别注意的是支付给单色点源的各种频率和深度，并在离散的f-和p-模式的频谱和连续的表面速度功率的结果。它示出的连续体的一个主要效果是治愈紧凑的源产生的表面波场，因此隐藏它们从视图。研究发现，连续谱对可观测的山脊间地震功率并不是一个重要的贡献者。
2013-03-17 astro-ph.SR
Spontaneous Formation of Surface Magnetic Structure from Large-scale Dynamo in Strongly-stratified Convection
我们报告的第一个成功的模拟自发形成的表面磁结构从一个大规模的发电机强分层热对流在笛卡尔几何。强分层模式中观测到的大尺度发电机的物理性质与弱分层模式中观测到的类似，表明产生这种发电机的机制是$α^2$型机制。除了大尺度发电机外，我们还发现，只有在强分层的情况下，对流层表面才会自发形成垂直磁场的大尺度结构。垂直磁场的组织在几十个对流翻转时间内在对流区上部进行，并在动力饱和阶段反复出现带状双极结构。我们研究了几个候选人的可能性作为起源的表面磁结构的形成，然后建议存在一个迄今未知的机制的大规模磁结构的自组织，这应该是固有的强分层对流大气。
2016-04-18 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Radial Trapping of Thermal Rossby Waves within the Convection Zones of Low-Mass Stars
本研究推导了低质量恒星分层大气中大气波的色散关系，揭示了热Rossby波在恒星对流区内可被径向陷俘于波导中并沿纬向自由传播，并指出太阳对流区下部可能存在此类稳定波动。
2022-05-04 astro-ph.SR physics.flu-dyn
The stability of stratified, rotating systems and the generation of vorticity in the Sun
我们研究的线性行为的三维拉格朗日位移分层，剪切背景。平衡流的等熵面和等旋面被假定为轴对称的，但在其它方面则是完全二维的。三维磁场包括在微扰方程，但平衡被假定为是很好地描述了纯流体动力。该模型，在原则上非常普遍，是用来研究的行为，流体位移的环境中类似的太阳对流区。一些非常有启发性的结果出现了。除了高纬度以外，所有的位移都与观测到的恒定角速度的表面对齐。角速度在对流区的大部分中随深度保持恒定的趋势，以及旋转轮廓的其他关键特征，仅仅是从对控制方程的目视检查中出现的。在没有背景轴向角速度梯度的情况下，位移没有表现出向极偏置，这表明太阳对流“播放关闭”的preexisting剪切，而不是创建it. We认为，斜压涡度的正确顺序是产生在辐射/对流区边界由于离心畸变的等势面，这是不完全遵循等温表面。如果是这样，太阳内部自转的许多特征就会变得更加清晰，包括：i）速度跃层的总体外观; ii）差异自转延伸到辐射区; iii）对流区等自转表面形态的突然变化;和iv）当前的数值模拟无法在没有强加熵边界条件的情况下再现太阳自转轮廓。
2012-07-16 astro-ph.SR
Energy conservation and gravity waves in sound-proof treatments of stellar interiors: Part II Lagrangian constrained analysis
在许多恒星和行星内部，声速大大超过了典型的流速。为了跟踪亚音速运动的缓慢演变，各种隔音模型试图去除快速声波，同时保留分层对流和浮力动力学。在天体物理学中，滞弹性模型通常在声音过滤分层模型中受到最多的关注。一般来说，滞弹性模型在接近绝热分层的区域（如恒星对流区）仍然有效，但在恒星辐射区常见的强烈亚绝热、稳定分层层中可能会失效。然而，研究恒星自转、环流和发电机需要理解对流和辐射区之间的复杂耦合，这需要在两种情况下都有效的鲁棒方程。在这里，我们将Brown Vasil & Zweibel 2012中开始的方程组分析（研究滞弹性模型）扩展到两种类型的伪不可压缩模型。这类模型在大气应用中受到关注，最近在白矮星超新星祖先的研究中也受到关注。我们证明，一个模型保存的能量，但其他没有。我们利用拉格朗日变分法将能量守恒模型推广为一般的状态方程，并将所得方程组称为广义伪不可压缩（GPI）模型。我们表明，GPI方程适当地捕捉在恒星和其他分层系统的对流和辐射区的低频现象，我们提供了转换低马赫数代码到这个方程组的建议。
2013-02-28 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.ao-ph
Violation of Richardson's Criterion via Introduction of a Magnetic Field
剪切流不稳定性可以深刻地影响喷流、恒星和圆盘中动量的扩散。Richardson准则给出了分层介质中剪切流不稳定的一个充分条件。速度梯度$V'$仅能使具有平方Brunt-Vaisala频率$N^2$的稳定分层介质失稳，如果$V'^2/4>N^2$。我们发现，当介质是磁化等离子体时，这不再是真的。我们研究了稳定层结对磁场和速度分布的影响，这些磁场和速度分布对磁剪切不稳定性是不稳定的，即，需要同时存在磁场和剪切流的不稳定性。我们证明了Tatsuno & Dorland（2006）最初研究的一系列轮廓即使在$V'^2/4<N^2$时仍然不稳定，违反了Richardson准则。然而，并不是所有的磁场都能导致违反理查森准则。我们考虑一类最初由Kent（1968）提出的流动，它在恒定磁场作用下是不稳定的，并证明了当$V'^2/4<N^2$，如Richardson判据所预言的那样，它们变得稳定。这意味着需要磁自由能才能违反理查森判据。这项工作意味着，理查森标准不能使用时，评估剪切，稳定分层，磁化等离子体的理想稳定性。我们简要地讨论了天体物理系统的影响。
2010-02-17 astro-ph.SR
Vertical shear instabilities in rotating stellar radiation zones: effects of the full Coriolis acceleration and thermal diffusion
本文通过数值与渐近WKBJ线性稳定性分析，研究完整Coriolis加速度和热扩散对恒星辐射区垂直剪切不稳定性的影响，并提出对应湍流输运的涡黏模型。
2025-01-09 astro-ph.SR physics.ao-ph physics.flu-dyn
Dynamical tides in Jupiter and other rotationally flattened planets and stars with stable stratification
开发数值方法计算快速旋转扁球星体和气态行星的耗散动力学潮汐响应，发现混合波共振可解释木星对Io潮汐响应的观测与静力学计算差异。
2023-02-16 astro-ph.EP astro-ph.SR
Meridional Circulation From Differential Rotation in an Adiabatically Stratified Solar/Stellar Convection Zone
恒星对流区的经向环流通常不能很好地观测到，但对磁流体发电机可能是至关重要的。来自差速旋转（DR）的科里奥利力在确定纬向环流中起着重要作用。在这里，我们考虑一个在与自转轴同心的圆柱上保持恒定的恒星DR是否能驱动一个纬向环流。使用两个相关形式的控制方程，分别估计的纵向分量的旋度的纬向质量通量和涡度，我们表明，这样的DR将驱动纬向流。这是因为为了满足滞弹性质量守恒，所有DR都必须存在非球对称压力等值线，而不仅仅是与旋转轴同心的圆柱体上偏离恒定性的压力等值线。因此，如果DR存在，流体总是斜压的，因为在滞弹性系统中，扰动压力必须满足泊松型方程，以及状态方程和热力学方程。我们支持我们的定性推理与数值例子，并表明，纬向环流是敏感的大小和形式的偏离旋转常数的圆柱。该效应应存在于3D全球滞弹性对流模拟中，特别是那些由全球对流驱动的DR在剖面上接近圆柱形的模拟。对于类似太阳的DR，科里奥利力通常在每个半球驱动一个双胞环流，在高纬度地区有第二个反向流动。对于类似太阳的湍流粘性，科里奥利力产生的日冕环流比在太阳上观察到的要大得多。因此，必须至少有一个额外的力，可能是浮力，它反对的纬向流，使其振幅下降到观察值。
2013-08-21 astro-ph.SR
Stability of axially symmetric magnetic fields in stars
在AP星、白矮星和中子星中观测到的磁场已知是长期稳定的。然而，恒星内部允许这些状态的物理条件仍然是一个研究问题。它已经正式证明，无论是纯环向和纯极向磁场发展不稳定性在某些点的恒星。另一方面，数值模拟证明了稳定层结恒星内部大致轴对称磁场位形的稳定性。这些配置包括相互稳定的环形和极向组件在一个扭曲的环面形状。先前的研究已经提出了粗略的上限和下限的比例的磁场能量的环向和极向分量的磁场。与映射出的参数空间下，这样的配置保持稳定的目的，我们使用的3D磁流体动力学模拟的磁场在非旋转，非简并的恒星，其中粘度是唯一的耗散机制，无论是一个统一的（正压）和径向增加（稳定分层）的特定熵的恒星的演变。此外，我们考虑了不同的条件下的稳定分层的程度和每个组件中的磁能，大致确认了先前提出的稳定边界的磁场。
2022-09-02 astro-ph.SR
The negative magnetic pressure effect in stratified turbulence
虽然上升通量管范式是一个优雅的理论，它的基本假设，薄通量管底部的对流区的磁场强度两个数量级以上均分，仍然是未经验证的数值充其量。因此，近年来，在对流区顶部附近形成太阳黑子的想法引起了一些兴趣。湍流的存在可以强烈地增强扩散输运机制，导致有效的平均场公式中的输运系数形式主义。问题是，当湍流由于强的大尺度平均磁场而变得各向异性时，这些系数会发生什么变化。过去已经注意到，这种各向异性也可以导致高度非扩散行为。在目前的工作中，我们调查的大规模的磁结构的形成作为一个结果的湍流的负贡献的大规模的有效磁压力在分层的存在下。在分层盒中强迫湍流的直接数值模拟中，我们验证了这种效应的存在。这种现象甚至可以从初始均匀的大尺度磁场中导致大尺度磁结构的形成。
2010-10-08 astro-ph.SR
Nonlinear Evolution of the Radiation-Driven Magneto-Acoustic Instability (RMI)
我们研究了由背景辐射通量驱动的不稳定磁声波的非线性发展-辐射驱动的磁声不稳定性（RMI，a.k.a.）。“光子泡”不稳定性）。在稳定分层的光学厚介质中，RMI可以作为密度、辐射通量和磁场波动的持久源。不稳定的条件存在于各种天体物理环境中，并且不需要辐射压力占主导地位或磁场很强。在这里，我们数值研究的RMI的饱和特性，涵盖三个数量级的辐射，磁场，气体能量的相对强度。在光厚高导极限下，利用Zeus-MP对局部稳定分层畴进行了二维时变辐射磁流体动力学模拟。我们的研究结果证实了Blaes和Socrates（2003）的理论预期，即RMI甚至在弱磁化的气压主导环境中也能工作。饱和振幅是辐射与气体压力之比的单调递增函数。保持这个比例不变，我们发现，饱和振幅峰值时，磁压力是可比的辐射压力。我们讨论了磁化恒星信封，RMI应作为一个源的次光球扰动的动态我们的结果的影响。
2013-03-09 astro-ph.HE astro-ph.SR
