Challenge for convective conundrum with large-scale numerical simulations

大规模数值模拟对对流难题的挑战

基本信息

批准号：
20K14510
负责人：
堀田英之
金额：
$ 2.75万
依托单位：
Chiba University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20K14510/
关键词：
太陽ダイナモ差動回転磁場熱対流乱流太陽ダイナモ

项目摘要

本研究では、「熱対流の難問」を解くべく富岳を用いた大規模な数値シミュレーションを実施した。熱対流の難問の一つは、高解像度のシミュレーションを実行すると太陽とは違い、極が赤道よりも速く自転してしまうことであった。熱対流の難問を解く方法は、研究開始当初は分からなかったために、いくつかの手法を提案し、一つ一つ実施していく予定であったが、最初に実行した手法で解決できたために最終年度を待たずして本研究課題は廃止とした。熱対流の難問を解く鍵は、磁場であった。これまでは、太陽内部で磁場が弱いと考えられていたために磁場による角運動量輸送が無視されてきたが、富岳を用いた超大規模計算では、磁場エネルギーが運動エネルギーを上回る状況が実現できた。その結果、磁場による角運動量輸送が支配的となり、「熱対流の難問」を解決することができた。これまでは、自転の時間スケールを熱対流の時間スケールで割ったロスビー数という無次元量が、恒星差動回転に重要だと考えられていたが、本研究により、太陽程度のパラメタであればそれほどエッセンシャルなパラメタでないことが示された。2021年度までに富岳を用いた数値シミュレーションを実施し、2022年度にはその解析を実施した。それぞれ論文を出版している（Hotta & Kusano, 2021, Nature Astronomy; Hotta et al., 2022, ApJ）。また2022年度には、表面勾配層を実現する計算も達成しており、本研究課題て発見した物理機構の確かさを補強している。

在这项研究中，使用Fugaku进行了大规模的数值模拟，以解决“热对流的难度”。热对流的挑战之一是，进行高分辨率模拟时，与太阳不同，电线杆的旋转速度比赤道快。由于我们不确定如何在开始研究时如何解决热对流的困难问题，因此我们计划提出几种方法并一一实施它们，但是由于我们首次实施的方法能够解决该问题，因此我们在不等待最后一年的情况下废除了这一研究主题。解决热对流的困难问题的关键是磁场。到目前为止，由于认为使用Fugaku的超大尺度计算磁场的计算已经实现了磁场能量超过动能的，但磁场的角动量被忽略了，但是超大尺度的计算。结果，磁场的角动量转运变得占主导地位，并解决了“热对流的难度”。到目前为止，Rossby数量的无量纲数量（即旋转的时间尺度除以热对流的时间尺度）被认为对差异恒星旋转很重要，但是这项研究表明，太阳水平的参数不是非常重要的参数。使用fugaku进行数值模拟，在2021财年之前进行，分析是在2022财年进行的。每一财年都发表了一篇论文（Hotta＆Kusano，2021年，自然天文学； Hotta等，2022年，2022年，APJ）。此外，在2022年，计算实现了表面梯度层，从而增强了本研究主题中发现的物理机制的准确性。