작은 것에 대한 수치적 증거

자연 천문학(2023)이 기사 인용

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작은 규모의 자기장은 우주 어디에나 존재합니다. 종종 자세히 관찰할 수 있지만 생성 메커니즘은 완전히 이해되지 않습니다. 한 가지 가능성은 소위 소규모 발전기(SSD)입니다. 그러나 널리 퍼진 수치적 증거는 태양이나 다른 차가운 별에 존재하는 것과 같이 매우 낮은 자기 프란틀 수(PrM)에서는 SSD가 존재할 가능성이 거의 없음을 나타내는 것으로 보입니다. 여기에서는 지금까지 달성한 ​​가장 낮은 PrM 값을 사용하여 등온 강제 난류에 대한 고해상도 시뮬레이션을 수행했습니다. 이전 연구 결과와는 달리 SSD는 PrM이 0.0031까지 가능할 뿐만 아니라 약 0.05 미만의 PrM에 대해서도 자극이 점점 더 쉬워집니다. 우리는 이 동작을 병목 효과라고 하는 알려진 유체 역학 현상과 연관시킵니다. 우리의 결과를 PrM의 태양열 가치로 추정하면 그러한 조건에서 SSD가 가능할 것임을 나타냅니다.

천체 물리학적 흐름은 두 가지 유형의 발전기 불안정성에 취약한 것으로 간주됩니다. 첫째, 대규모 발전기(LSD)는 회전, 전단 및/또는 층화로 인해 나선성을 나타내거나 더 일반적으로 거울 대칭이 부족한 흐름에 의해 자극됩니다. 이는 문제의 물체의 전체 규모에서 일관되고 동적으로 관련된 자기장을 생성합니다1. LSD의 특성은 태양의 경우 차동 회전과 같은 지배적인 생성 효과에 따라 달라집니다. 대류 난류는 생성 효과와 소산 효과를 모두 제공하며2, 그 존재와 천체물리학적 관련성은 더 이상 강하게 논의되지 않습니다.

그러나 다른 유형의 발전기 불안정성, 즉 소규모 또는 변동 발전기(SSD)의 존재는 태양 및 항성 물리학에서 여전히 논란의 여지가 있습니다. SSD 활성 시스템에서 자기장은 높은 자기 레이놀즈 수3에서 자기장 선이 혼란스럽게 늘어남에 따라 난류의 특성 규모와 비슷하거나 더 작은 규모로 생성됩니다. LSD와 달리 SSD의 여기에는 훨씬 더 강한 난류가 필요합니다1. 더욱이, 매우 낮은 자기 프란틀 수 PrM(참조 4,5,6,7,8,9,10), 운동학적 점도 ν 및 자기 확산율의 비율에서 SSD를 자극하는 것이 점점 더 어려워진다는 이론이 세워졌습니다. θ. Sun에서 PrM은 10−6–10−4(참조 11)만큼 낮은 값에 도달할 수 있으므로 SSD가 전혀 존재할 수 있는지 여부를 심각하게 부인합니다. 표면 근처 태양 대류에서 SSD의 수치 모델은 일반적으로 PrM ≒ 1(참조, 12,13,14,15,16,17,18)에서 작동하므로 낮은 PrM 발전기 문제를 회피합니다.

강력한 SSD는 잠재적으로 Sun의 동적 프로세스에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어 각운동량 전달에 영향을 미쳐 차동 회전 생성이 LSD와 상호 작용하거나 향상된 광구 포인팅 플럭스 통해 코로나 가열에 기여할 수 있습니다. 따라서 SSD가 Sun에 존재할 수 있는지 여부를 명확히 하는 것이 매우 중요합니다. 관측적으로 태양 표면의 소규모 자기장이 SSD의 영향을 받는지 아니면 난류 운동에 의한 대규모 자기장의 엉킴 때문인지는 여전히 논쟁의 여지가 있습니다27,28,29,30,31 ,32. 그러나 이러한 연구는 소규모 필드가 주기 독립적인 것을 약간 선호한다는 것을 보여줍니다. 소규모 PrM의 SSD는 행성 내부와 액체 금속 실험에도 중요합니다33.

다양한 수치 연구에서는 PrM을 줄일 때 SSD를 자극하는 데 어려움이 증가한다고 보고했으며(참조 6,10,34), 이론적 예측이 확인되었습니다. 그러나 현재 수치 모델은 명시적인 물리적 확산을 사용하여 PrM = 0.03에만 도달하거나 인공과확산에 의존하여 약간 낮은(추정) PrM에 도달합니다. 더 낮은 PrM을 달성하려면 그리드 해상도를 대폭 높여야 합니다(참조 35 참조). SSD를 작동시키려면 일반적으로 100보다 큰 자기 레이놀즈 수(ReM)가 필요합니다. 따라서 예를 들어 PrM = 0.01은 유체 레이놀즈 수 Re = 104를 의미합니다. 여기서 \({{{\rm{Re}}}}={u}_{{{{\rm{rms}}}}}\ ell /\nu\), urms는 체적 적분 평균 제곱근 속도이고, ℓ는 속도의 특성 척도이며 ReM = PrMRe입니다. 이 기사에서는 이 경로를 택하고 고해상도 시뮬레이션을 사용하여 PrM을 실질적으로 낮춥니다.