磁気流体シミュレーションを用いた太陽ダイナモの物理機構の解明

利用磁流体动力学模拟阐明太阳能发电机的物理机制

基本信息

批准号：
11J04531
负责人：
堀田英之
金额：
$ 1.22万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2011
资助国家：
日本
起止时间：
2011 至 2013
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-11J04531/
关键词：
太陽ダイナモ磁気流体力学

项目摘要

平成24年度(採用1年目)に、自身で開発した「音速抑制法」を用いて非常に高解像度で現実の太陽に忠実な熱対流をシミュレートした。太陽内部角速度の未解決の問題として、「表面勾配層」があった。日震学の成果により、太陽の表面直下に回転角速度の大きい層があるということが明らかになっておりこの層のことを表面勾配層と呼んでいる。この層の物理機構は、我々の研究の前までは明らかになっていなかった。観測困難な太陽内部の現象なので、その解決は数値計算に頼らざるを得ないが、表面勾配層の数値計算による再現は困難と考えられていた。表面勾配層は、太陽の中で回転の影響をあまり受けない小空間スケール・短時間スケールの乱流が維持しているだろうとこれまでに予測されていた。しかし、太陽の中で小スケールの乱流を分解するには多量の解像度を必要とするので、コストの高い計算となるのである。私の開発した「音速抑制法」では、並列計算機を効率よく使えるためにこれまでに比べ飛躍的に解像度をあげる事が可能になった。この方法を用いて高解像度の太陽対流層計算をおこない世界で初めて、表面勾配層を数値計算によって再現した。また、詳細な解析によってその維持機構を明らかにした。その結果は以下のようであった。回転の影響を受けた乱流が角運動量を運び差動回転を作る。そのことによる平均的なコリオリ力が子午面還流を誘起する。この子午面還流の動径方向の勾配により乱流の性質が変化する。性質の変化した乱流によって運ばれた運動量が表面勾配層の力のバランスに働いているというものである。この成果については、The Astrophysical Journalに投稿した。

2012 财年（入职第一年），他使用自己开发的“声速抑制方法”以非常高的分辨率模拟了热对流，并且忠实于真实的太阳。关于太阳内角速度的一个未解决的问题是“表面梯度层”。日震学研究结果表明，太阳表面正下方存在一层旋转角速度较高的层，该层称为表面梯度层。在我们的研究之前，这一层的物理机制尚不清楚。由于这是太阳内部难以观测的现象，解决它必须依靠数值计算，但人们认为通过数值计算再现表面梯度层是困难的。此前预测，表面梯度层将通过小规模、短时间尺度的湍流来维持，而这种湍流很大程度上不受太阳内部自转的影响。然而，解决太阳中的小规模湍流需要大量的分辨率，使得计算成本昂贵。我开发的“声速抑制方法”可以有效地使用并行计算机，与以前的方法相比，可以显着提高分辨率。利用这种方法，我们进行了高分辨率太阳对流层计算，并在世界上首次以数值方式再现了表面梯度层。此外，详细分析揭示了维护机制。结果如下。受旋转影响的湍流携带角动量并产生差动旋转。由此产生的平均科里奥利力引起经向回流。这种经向回流的径向梯度改变了湍流的性质。性质发生变化的湍流所携带的动量作用于表面梯度层的力平衡。该结果发表在《天体物理学杂志》上。