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
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
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
Long-term Evolution of Large-scale Magnetic Fields in Rotating Stratified Convection
对流发电机模拟在当地笛卡尔几何。我们首次成功地模拟了一个大规模的振荡发电机在刚性旋转对流没有稳定分层层。激励大规模发电机的关键要求是与欧姆扩散时间相当的足够长的积分时间。通过比较有稳定分层和无稳定分层两种模型,研究了它们对大型发电机的影响。大尺度磁场的时空演化在两种模型中是相似的。然而,有趣的是,在没有稳定层的模型中的磁周期比有稳定层的模型短得多。这表明稳定层对大尺度磁场的周期性变化起了阻碍作用。
2014-03-25 astro-ph.SR physics.flu-dyn
What controls the magnetic geometry of M dwarfs?
内容:对快速旋转的M型矮星的观测显示出包含偶极主导和多极几何形状的各种各样的大尺度磁场。在发电机模型中,惯性在力平衡中的相对重要性--由局部Rossby数量化--已知对磁场几何形状有很大影响。目的:我们的目标是评估当地的Rossby数在控制大尺度磁场几何的M矮星的相关性。研究方法:我们探讨了滞弹性发电机模型之间的相似之处,在球壳和活动的M-矮星的观测,侧重于从光谱偏振研究得出的字段的几何形状。为此,我们构建了基于观测的量,旨在反映数值模型中采用的诊断参数。结果如下:在早中期M矮星中偶极主导和多极主导的大尺度场之间的转变初步归因于Rossby数阈值。我们解释晚M矮星的磁性是由于在低Rossby数下发生的发电机双稳性。通过与数值模型的类比,我们预计两个发电机分支上的差分旋转的幅度不同。
2012-12-01 astro-ph.SR
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
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
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
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
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
Rotational threshold in global numerical dynamo simulations
对低质量恒星的磁场观测表明,随着自转速率的增加,磁场活动也会增加。所谓的活动-旋转关系通常归因于产生磁场的潜在发电机过程的变化。我们研究了全球数值发电机模型中场强对旋转的依赖性,并根据能量考虑来解释我们的结果。与Christensen & Aubert(2006)提出的标度律一致,我们模拟中的场强由用于产生磁场的可用功率的分数设定。在我们的模型中,这是由计算为欧姆与总耗散之比的发电机效率控制的。发电机的效率增长强劲,增加旋转速率的Rossby数为0.1,直到它达到其上限的1,并成为独立的旋转。这种效率增益与该参数范围内的平均电动势的强旋转依赖性有关。另一方面,对于Rossby数明显大于0.1的多极模型,我们没有发现场强对旋转的系统依赖性。在我们的偶极模型中发现的发电机效率的提高是否解释了所观察到的活性-旋转关系需要进一步评估。
2012-12-31 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
Influence of a coronal envelope as a free boundary to global convective dynamo simulations
我们探讨了一个稳定分层的外部日冕信封旋转湍流对流,差分旋转,和大规模发电机行动的太阳球楔模型的影响。我们解决了可压缩磁流体动力学方程在一个两层模型与不稳定的分层下面的表面,代表对流区,和一个稳定分层的冠状信封上面。界面表示自由曲面。我们将我们的模型与没有冠状包络的模型进行比较。日冕包络的存在被发现修改雷诺应力和$Λ$效应,导致较弱的和非圆柱形的差异旋转。这与由角速度引起并取决于角速度的纬度温度变化减小有关。一些模拟发展了一个近地表剪切层,我们可以将其与热成风平衡方程中的雷诺应力项的符号变化联系起来。此外,自由表面的存在改变了磁场的演化,因为环向场集中在更靠近表面的地方。然而,在所有的模拟中,平均磁场的迁移方向可以用帕克-吉村规则来解释,这与早期的发现是一致的。球形发电机模拟中上边界的真实处理对于流动和磁场演化的动力学至关重要。
2016-12-19 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
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
Large Scale Azimuthal Structures Of Turbulence In Accretion Disks - Dynamo triggered variability of accretion
我们研究了大尺度方位模、磁模和速度模对吸积盘中MRI湍流的意义。我们进行三维全球分层原行星盘模型的全球理想MHD模拟。我们的域跨越π/4、π/2、π和2π的方位角。我们观察到高达100%的更强的磁场和更强的湍流的限制方位域模型π/2和π/4相比,完整的2π模型。我们表明,对于这些模型,麦克斯韦应力较大,由于强轴对称磁场,产生的αΩ发电机。大的径向扩展的轴对称环向场触发吸积应力的时间放大。所有模型在北半球(上盘)都显示出正的发电机-α。宇称在每个模型中是不同的,并且在40个局部轨道的时间尺度上变化。在2π模型中,环向场相对于中平面大多是反对称的。MRI湍流的涡流是高度各向异性的。湍流速度和磁场的主要波长在一到两个圆盘尺度高度之间。在中平面,我们发现磁倾角约8-9度增加到12-13度的日冕。我们的结论是,方位角范围的π是足够的再现大多数湍流性质的三维全球分层模拟磁化吸积盘。
2011-10-05 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
Magnetorotational turbulence transports angular momentum in stratified disks with low magnetic Prandtl number but magnetic Reynolds number above a critical value
磁旋转不稳定性(MRI)可能主导了吸积盘中角动量的向外输运,使物质落在中心物体上。以前的工作已经确定,MRI可以驱动平均场发电机,可能导致一个自我维持的吸积系统。然而,最近,角动量输运参数$\alphaSS$与磁普朗特数$\Prandtl$的缩放的模拟已经对MRI在真实盘系统中传输与天体物理学相关的角动量的能力产生了怀疑。在这里,我们使用的模拟,包括明确的物理粘度和电阻率表明,当包括垂直分层,平均场发电机行动的操作,驱动系统的配置中的磁场是不完全螺旋。这放松了由磁螺旋度守恒提供的对所产生的场的约束,允许在独立于电阻率的时间尺度上产生平均场。我们的模型表明存在一个临界磁雷诺数$\Rmagc$,低于该运输成为强烈的$\Prandtl$依赖和混乱,但高于该运输是稳定的和$\Prandtl$独立。显示$\Prandtl$依赖性的先前模拟具有$\Rmag < \Rmagc$。我们推测,这种稳定的制度是可能的,因为平均场发电机不是螺旋度限制,因此不依赖于螺旋度喷射过程的细节。根据实际的天体物理参数,原恒星和恒星质量黑洞周围的圆盘都有$\Rmag >> \Rmagc$。因此,我们认为,强$\Prandtl$的依赖性,在最近的模拟中看到的不会发生在真实的系统。
2011-09-12 astro-ph.SR
Shedding light on the MRI driven dynamo in a stratified shearing box
本研究通过分层零净通量剪切盒模拟,揭示MRI驱动发电机中α-Ω机制主导,并采用IROS算法提取湍流系数,发现外流和湍流泵送为主要汇项。
2024-07-19 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
Topology and field strength in spherical, anelastic dynamo simulations
在Boussinesq近似下对流驱动发电机的数值模拟揭示了发电机产生的磁场和流体流动的基本特征。由于这些结果是在不可压缩流体中获得的,它们对气体行星和恒星的有效性仍有待评估。一种常见的方法是用所谓的滞弹性近似来考虑密度分层。在Boussinesq近似得到的结果的有效性进行了测试滞弹性模型。我们指出,并解释这两种类型的模型之间的具体差异,特别是相对于场的几何形状和场强,但我们也比较标度律的速度振幅,磁耗散时间,和对流热通量。我们的调查是基于一个系统的参数研究球发电机模型的滞弹性近似。我们利用最近开发的数值求解器,并提供结果的滞弹性发电机基准的测试用例。在Boussinesq模拟中确定的偶极和多极发电机的二分法也存在于我们的滞弹性模型样本中。偶极模型要求对流的典型长度尺度比Rossby半径大一个数量级。然而,这两类模型之间的区别是有点不太明确,比以前的研究。这主要是由于两个原因:我们发现了一些模型具有相当大的赤道偶极子贡献和中间的整体偶极场强度。此外,大的密度分层可能妨碍偶极主导的磁场的产生。以前提出的标度律,如场强的标度律,同样适用于滞弹性模型。然而,尚不清楚这种一致性是否必然意味着在两种环境中类似的发电机过程。
2015-03-02 astro-ph.SR
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
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
Magnetic fields driven by tidal mixing in radiative stars
恒星磁性在恒星演化理论中占有重要地位。大约有10%的观测到的主序星(MS)和前主序星(PMS)辐射星的表面磁场高于检测极限,这就提出了它们的起源问题。这些恒星拥有稳定分层的外部辐射包层。因此,在恒星结构和演化的标准模型中,它们被假定为静止的。我们专注于快速旋转,辐射星,可能容易潮汐不稳定性,由于轨道伴侣。利用直接数值模拟的方法,研究了稳定层结和潮汐不稳定性之间的相互作用,并评估了其发电能力。我们发现,无论分层的强度如何,都会触发潮汐不稳定性(Brunt-V{<$}是{<$}l{<$}频率)。此外,潮汐不稳定性可以导致稳定分层层中的混合和自感磁场(前提是Brunt-V{<$}is{<$}l{<$}频率不超过模拟中的恒星自旋速率太多)。对恒星的应用表明,由此产生的磁场可以在恒星表面观察到。事实上,我们预计磁场强度高达几个高斯。因此,潮汐驱动发电机应被视为一个(互补)发电机机制,可能在辐射MS和PMS星托管轨道同伴。特别是,潮汐驱动发电机可以解释观测到的潮汐变形和快速旋转的织女星类恒星的磁性。
2018-01-12 astro-ph.SR
Magnetorotational turbulence in stratified shearing boxes with perfect gas equation of state and finite thermal diffusivity
本文对具有零平均磁通量的分层剪切盒中的湍流和发电机作用进行了数值研究。我们假设流体服从理想气体定律,并具有有限(常数)的热扩散率。计算开始于跨越中平面上方和下方三个刻度高度的等温状态。经过长时间的瞬态后,各层稳定到一个稳态,在该稳态中,边界外的热损失被耗散加热所平衡。我们确定了两种制度。一种传导状态,其中热量主要通过传导传递,密度随高度降低。在大的热扩散率的限制,这一制度类似于更熟悉的等温情况。另一个,对流制度,观察到在较小的值的热扩散率,在该层变得不稳定的翻转运动,热量主要是通过平流和密度变得几乎恒定的整个层。在这后一个恒定密度制度,我们观察到的证据大规模发电机行动导致大幅增加运输效率相对于导电的情况下。
2012-10-24 astro-ph.HE astro-ph.SR
Single-hemisphere dynamos in M-dwarf stars
低于一定质量的M矮星从核心到光球层是对流的。这些完全对流的天体数量非常多,非常活跃,并且可能是许多系外行星的宿主。在这里,我们研究,第一次,发电机行动模拟分层,旋转完全对流M-矮星。重要的是,我们使用新的技术来捕捉正确的完整的球几何形状,直到恒星的中心。我们在这些系统中发现了令人惊讶的发电机状态,与之前的恒星发电机解决方案相比,全球尺度的平均场强烈局限于一个半球。这些半球发电机恒星可能与周围环境有着深刻不同的相互作用,这对系外行星的可居住性和恒星自旋有着重要的影响。
2020-08-05 astro-ph.SR physics.flu-dyn
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
Ejections of magnetic structures above a spherical wedge driven by a convective dynamo with differential rotation
我们结合对流驱动发电机在一个球壳与一个近等温的密度分层冷却层,模仿恒星日冕的某些方面,研究磁场结构的出现和喷射。该方法是早期模型的扩展,其中采用强制湍流模拟来产生磁场。使用的球楔由对流区和扩展到球体半径$\approx1.5$倍的冕区组成。楔形包含球体方位角范围的四分之一和纬度的$150\degr$。磁场是由表面下的对流引起的湍流运动自洽地产生的。发现磁场出现在表面,并被喷射到域的日冕部分。这些喷射发生在不规则的时间间隔,比以前的工作弱。我们尝试性地将这些事件与太阳上的日冕物质抛射联系起来,尽管我们的太阳大气模型相当简单。
2012-09-30 astro-ph.SR
The dynamo action for red dwarfs and red giant and supergiant stars
我们研究了将Sarafopoulos(2017,2019)提出的发电机作用的主要概念应用于红矮星、红巨星和超巨星的可能性。因此,我们试图建立一个统一的发电机行动,潜在的工作在广泛变化的恒星域。因此,产生主要恒星磁场的强大、独特和领先的实体仍然是所谓的环面结构。在圆环内,相同符号的电荷相互吸引,圆环可以被模拟为超导体。旋转速率的现有梯度在环面中积累净电荷,并且所产生的环形电流成为磁场的驱动源。反过来,有一个复杂的次级相互作用网络,影响和调节整个恒星的磁性行为。我们的发电机作用可能在完全和部分对流的恒星中起作用。一个主要的发现是,对于相同光谱类型的恒星,磁场的强度基本上是由恒星的大小控制的;我们认为,恒星越大,环面形成得越深。一个单一的环面的形成基本上是与一个大规模的强,极向和轴对称的磁场拓扑结构,而产生一个较弱的多极,非轴对称的场配置在快速演变可能会导致从一个双环面结构(如太阳的情况)。同样的基本概念是按比例放大或缩小。此外,我们确定了与红矮星、巨星和超巨星的磁场相关的四个关键参数:第一,旋转速度;第二,剪切层中旋转速率径向梯度的陡度;第三,环面与光球的距离;第四,环面的横截面积。第三和第四个关键参数是首次引入的。
2020-05-18 astro-ph.SR
Torsional Oscillations in a Global Solar Dynamo
我们描述和分析旋转扭转振荡发展中的大涡磁流体动力学模拟太阳对流(Ghizaru,Charbonneau,Smolarkiewicz,天体物理学。J. Lett.,715,L133(2010); Racine等人,占星术。J.,735,46(2011))产生经历周期性极性反转的轴对称大规模磁场。受这些振荡所表现出的许多类似太阳的特征的启发,我们对大尺度纬向动力学进行了分析。我们表明,模拟的扭转振荡驱动的主要是由随时间变化的大规模的磁转矩,因为人们可能已经预料到,而是通过大规模的磁调制的角动量输运的回旋流。这一结果通过简单的能量分析得到了证实。我们还检测到一个相当尖锐的过渡旋转动力学发生的一个移动的对流层的基础上形成的稳定分层的流体层下面的薄速斜状剪切层的基础。最后,我们讨论了我们的分析的影响,在全球发电机运行在模拟中的振幅饱和的机制,并推测扭转振荡的预测太阳周期特征的可能的前兆值。
2012-10-03 astro-ph.SR
Turbulent reconnection of magnetic bipoles in stratified turbulence
我们考虑了具有螺旋度的平行平面层中的强分层强迫湍流,其下部为相应的大尺度发电机作用,上部为非螺旋湍流。发现磁场在表面附近形成强烈集中的双极结构。它们形成细长的带,在相反的极性之间有一个尖锐的界面。不像早期的实验与强加的磁场,包括旋转并不强烈抑制这些结构的形成。我们通过改变磁雷诺数、尺度分离比和科里奥利数对这种现象进行了系统的数值研究。我们专注于形成一个电流片的双极区域之间的方向相反的场线重新连接发生。我们通过测量电流片附近的流入速度或通过测量重联区的电场来确定重联率。我们证明,对于大的伦德奎斯特数,S>10^3,重联率几乎与S无关,这与最近其他小组在更简单的设置下进行的数值模拟结果一致。
2016-03-18 astro-ph.SR
Formation of starspots in self-consistent global dynamo models: Polar spots on cool stars
对冷恒星的观测揭示了它们表面的暗斑状特征。与太阳黑子相比,恒星黑子可以更大或覆盖恒星表面的更大部分。虽然太阳黑子只出现在低纬度地区,但在极地地区也可以发现星斑,特别是在快速旋转的恒星上。太阳黑子被认为是由于太阳内部深处升起的磁通量管爆发而产生的。强磁场局部地减少了到太阳表面的对流热传输。这种通量管模型也被用来解释星点的性质。然而,这些模型使用了几个简化,到目前为止,太阳黑子或恒星黑子的产生还没有被证明在恒星磁对流的自洽模拟。在这里,我们表明,直接数值模拟的分布式发电机在密度分层旋转球壳可以自发地产生冷点。模型内部的对流产生大尺度的磁场,与近地表颗粒对流相互作用,导致强烈的磁通量集中和星点的形成。在模式中,形成相当大的高纬度斑点的先决条件是足够强的密度分层和快速旋转。我们的模型提出了一种替代机制的星点形成分布式发电机行动。
2014-11-20 astro-ph.SR
Dynamo Confinement of a Radiatively Spreading Solar Tachocline Revealed by Self-consistent Global Simulations
本研究通过全局数值模拟证明,发电机产生的非轴对称磁场通过麦克斯韦应力在辐射扩散状态下约束太阳差旋层,首次实现了符合太阳参数的自洽约束。
2025-07-11 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
Influence of the mass distribution on the magnetic field topology
上下文在滞弹性近似的框架内进行的三维球形发电机模拟表明,在双极发电机和多极发电机之间建立的区别往往不如在Boussinesq研究中那么清楚。这一结果首先被解释为一个直接的后果,存在大量的模型具有较高的赤道偶极子的贡献,连同一个中间的偶极场强度。然而,这一发现并没有明确地与具体的变化,将被引入使用滞弹性近似。目的。在本文中,我们主要集中在不同的质量分布的选择的影响。事实上,它可能会有很大的后果,将分层参考状态考虑在内,特别是当我们的结果与以前的Boussinesq研究。方法.我们的调查是基于弱分层滞弹性发电机模型的系统参数研究。结果我们发现,在以前的滞弹性发电机模拟中突出的趋势已经存在于Boussinesq极限。因此,它们不能系统地与滞弹性效应联系起来。实际上,中心质量分布可以导致磁场拓扑的变化,这主要是由于靠近内球的对流单元的集中。
2014-07-08 astro-ph.SR physics.flu-dyn
MRI-driven $αΩ$ dynamo at high Pm numbers
本研究通过分层剪切盒模拟和新技术计算发电机系数,探讨了高磁普朗特数区间下 MRI 驱动的 $αΩ$ 发电机机制,发现平均磁场及发电机系数随 Pm 增加而增强,使发电机周期缩短、增长率加快,预测磁场放大应至少增加约 5 倍。
2025-01-09 astro-ph.HE astro-ph.SR
Magnetorotational instability driven dynamos at low magnetic Prandtl numbers
对非分层等温立方区域中初始净磁通为零的磁旋转不稳定性(MRI)进行了数值模拟,证明了磁边界条件的重要性.在完全周期系统中,MRI产生的湍流水平随着运动粘度与磁扩散之比的磁普朗特数(Pm)的减小而显著减小.没有发现低于Pm=1的MRI或发电机动作,与早期的调查一致。使用垂直场条件,其允许在系统外产生净环向通量和磁螺旋度通量,发现MRI在0.1 < Pm < 10的范围内被激发,并且饱和水平与Pm无关。在垂直场运行强大的平均场发电机发展,并有助于维持MRI。
2011-07-06 astro-ph.HE 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
What controls the large-scale magnetic fields of M dwarfs?
对活动M矮星的观测显示了各种各样的大尺度磁场,包括偶极主导和多极几何。我们详细的一些滞弹性发电机模拟和23 M恒星的光谱偏振观测之间的类比。在数值模型中,惯性力和科里奥利力在整体力平衡中的相对贡献-由所谓的局部Rossby数估计-已知对磁场几何形状具有强烈影响。我们讨论了这个参数在设定M矮星大尺度磁场中的相关性。
2013-09-24 astro-ph.SR
MRI turbulence in vertically stratified accretion discs at large magnetic Prandtl numbers
本文通过三维垂直分层等温盘局部模拟,研究大 Pm 下 MRI 湍流与发电机,给出 α 和磁场能量的 Pm 幂律标度及高 Pm 平台,并结合谱分析解释中平面与大气动力学。
2024-04-09 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR
Research Progress on Solar Small-Scale Dynamo
Yunnan Observatories, Chinese Academy of Sciences(中国科学院云南天文台);University of Chinese Academy of Sciences(中国科学院大学);State Key Laboratory of Solar Activity and Space Weather, National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences(中国科学院国家天文台太阳活动与空间天气国家重点实验室);Yunnan Key Laboratory of Solar Physics and Space Science(云南省太阳物理与空间科学重点实验室)
总结太阳小尺度发电机理论在观测、理论和模拟领域进展。基于高分辨率观测揭示宁静太阳磁场结构,理论表明湍流可转化能量,模拟再现观测特征,指出小尺度磁场影响诸多方面,还进行文献综述与未来展望。
2026-07-02 astro-ph.SR
Coriolis darkening in late-type stars II. Effect of self-sustained magnetic fields in stratified convective envelope
本研究通过MHD模拟研究晚型恒星对流包层中磁场对表面亮度分布的影响,发现磁场可改变极赤道亮度对比,并抑制较差自转。
2024-03-13 astro-ph.SR
The negative effective magnetic pressure in stratified forced turbulence
为了了解磁通量浓度形成的基本机制,我们确定了直接数值模拟的湍流贡献的平均磁压力在一个强分层等温层与大等离子体β,其中一个弱的均匀的水平平均磁场施加。湍流的有效平均磁压力的负贡献被确定为强分层强迫湍流的磁雷诺数和普朗特数的值的范围内。小规模的发电机行动,以减少湍流的有效平均磁压力的负面影响。然而,描述负有效磁压现象的湍流系数被发现收敛的磁雷诺数在60和600之间,这是这里考虑的最大值。在所有这些模型中,湍流强度几乎与高度无关,因此,由于密度减小,动能密度随高度减小。在第二系列的数值实验中,湍流强度随高度增加,使得湍流动能密度几乎与高度无关。湍流磁扩散率和湍流抽运速度的测定与测试场的方法为这两种情况。湍流磁扩散率的垂直分布被认为是同意所期望的基础上简单的混合长度表达式。湍流泵浦被证明是湍流磁扩散率的梯度,但它是预期的两倍大。相应的数值平均场模型表明,在这两种情况下,可以发生大规模的不稳定性,提供的尺度分离的程度是足够大的,因此湍流磁扩散率足够小。
2012-02-21 astro-ph.SR
Self-similarity of the dipole-multipole transition in rapidly rotating dynamos
本文通过分析快速旋转发电机中的受迫磁流体动力学波,揭示偶极-多极转变的自相似性,并据此为地球极性反转的瑞利数提供约束。
2023-09-22 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Effects of small-scale dynamo and compressibility on the $Λ$ effect
$Λ$效应描述了旋转引起的雷诺应力的非扩散作用。它通常负责维持太阳和其他晚型恒星观测到的差异旋转。在这里的灵敏度的$Λ$效应的小尺度磁场和压缩性研究通过强迫湍流模拟与各向异性强迫在完全周期性立方体或在密度分层域与各向同性强迫。研究了小尺度发电机自洽产生磁场的情况下,小尺度磁场的影响。结果表明,小规模的磁场导致淬火的$Λ$效果是温和的比在情况下,也存在一个大规模的领域。在马赫数从0.015到0.8的范围内,压缩性对$Λ$效应的影响可以忽略不计。如果强迫尺度大约是密度尺度高度的两倍,密度分层会引起湍流的显著各向异性和垂直$Λ$效应。
2020-02-17 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Transport of angular momentum and chemical elements by the MRI dynamo in stellar radiative zones
Toulouse Univ.(图卢兹大学);Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie(天体物理学与行星学研究所在);CNRS(法国国家科学研究中心);CNES(法国国家空间研究中心);Département d’Astrophysique/AIM CEA/IRFU(天体物理系/AIM cea/IRFU);Univ. Paris-Saclay(巴黎萨克雷大学);Univ. de Paris Cité(巴黎西岱大学);Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse(图卢兹流体力学研究所)
研究红巨星深层磁场对角动量和化学元素的输运,通过零净通量剪切盒模拟建立输运效率与分层、旋转等参数的标度律,发现旋转和分层影响角动量及化学成分输运,该研究对协调恒星演化模型和星震反演有前景。
2026-07-24 astro-ph.SR
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
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
Generation of large-scale vorticity in rotating stratified turbulence with inhomogeneous helicity: mean-field theory
本文讨论了具有非均匀动力螺旋度的旋转密度分层发展湍流中大尺度涡量产生的平均场论。我们指出,大尺度非均匀流动是由密度分层旋转湍流和均匀动力螺旋度的联合作用或旋转不可压湍流和非均匀动力螺旋度的联合作用产生的。这些效应导致大尺度剪切的形成,并且由于大尺度剪切和雷诺应力诱导的平均涡量的产生的组合效应,其与小尺度湍流的相互作用又引起大尺度不稳定性的激发(称为涡量发电机)。后者是由于大尺度剪切对雷诺应力的影响。快速旋转抑制了这种大规模的不稳定性。
2018-05-13 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Subcritical transition to turbulence triggered by a magnetic dynamo
本文提出恒星辐射区中由非线性平均场发电机维持的小尺度湍流可被理解为线性稳定流动中的亚临界分岔,并给出一个简单非线性模型来描述大尺度发电机与小尺度磁不稳定性竞争驱动的天体物理湍流转捩。
2023-11-29 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Numerical simulations of astrophysical dynamos and applications to giant planets
ICE-CSIC(空间科学与工业研究所)
本研究通过数值模拟探讨了自激发电机在星际介质和巨行星内部的作用,分析了磁场演化及行星磁性特征。
2025-12-10 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
Magnetohydrodynamics of stably stratified regions in planets and stars
稳定分层层存在于恒星内部(辐射区)以及行星内部-最近的观测和地球磁场的理论研究似乎表明,在液态外核的顶部存在一个薄的稳定分层层。我们提出了直接的数值模拟,这是一个轴对称的球形Couette流嵌入在偶极磁场中的稳定分层流体建模。对于强磁场,一个超旋转剪切层,旋转近30%的速度比施加之间的内部对流发电机区域和外边界的旋转速率差,在稳定分层区域中产生。在地球的背景下,与以前认为的相反,我们表明,这种超旋转可能会延伸到地球磁旋制度,如果密度分层是足够大的。相应的差分旋转触发磁流体动力学不稳定性和波的分层区域,其功能的增长率与所观察到的时间尺度的地磁长期变化和颠簸。在恒星的背景下,我们进行了线性分析,这表明,类似的不稳定性可能会出现,我们认为,它可能会发挥作用,解释所观察到的中等质量恒星之间的磁性二分法。
2019-10-09 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Magnetorotational dynamo can generate large-scale vertical magnetic fields in 3D GRMHD simulations of accreting black holes
本文首次在三维全局GRMHD模拟中识别并量化了由MRI非线性演化驱动的吸积黑洞大尺度垂直磁场发电机机制,揭示磁环平流的关键作用,并指出传统α-发电机模型不足,需用剪切流效应或随机α-发电机描述。
2023-10-31 astro-ph.HE astro-ph.SR
Coexisting Tayler instability-driven dynamos in radiative zones: New dynamo solution and its impacts on stellar physics
Université de Genève(日内瓦大学);Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute)(马克斯·普朗克引力物理研究所(爱因斯坦研究所));IRAP, Université de Toulouse, CNRS, CNES, UPS(图卢兹大学 IRAP 研究所);Institut Universitaire de France (IUF)(法国高等研究院)
研究旋转恒星演化模型面临的角动量传输问题,通过三维数值模拟研究泰勒 - 斯普鲁伊特发电机,发现两种共存发电机解决方案,提取相关标度律并约束了产生磁场在星震模式上的特征。
2026-07-21 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Kilogauss magnetic fields from simulations of small-scale dynamo action in the convective envelope of a white dwarf
Istituto ricerche solari Aldo e Cele Daccò (IRSOL), Faculty of Informatics, Università della Svizzera italiana (USI)(瑞士意大利大学信息学院太阳物理研究所);Euler Institute, Università della Svizzera italiana (USI)(瑞士意大利大学欧拉研究所);Center for Astrophysics, Harvard & Smithsonian(哈佛-史密森尼天体物理中心);Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg, Landessternwarte(海德堡大学天文中心州立天文台);Institut für Sonnenphysik (KIS)(太阳物理研究所);Department of Physics, The University of Warwick(华威大学物理系)
本研究通过三维辐射磁流体动力学模拟,证实白矮星对流包层的小尺度湍流发电机可产生千高斯磁场,该磁场或使白矮星小尺度磁性比观测推断更普遍。
2026-08-07 astro-ph.SR