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。

在2012年（收养的第一年），他使用了“声音抑制方法”来模拟自己以极高的分辨率忠于真正的太阳的热对流。太阳系内部角速度的一个未解决的问题是“表面梯度层”。太阳地震科学的结果表明，在太阳表面下方有一个高旋转角速度的层，该层称为表面梯度层。直到我们研究之前，该层的物理机制才清楚。由于这是太阳系内的现象，因此很难观察到，因此有必要依靠数值计算来解决此问题，但是人们认为，使用数值计算来重现表面梯度层。到目前为止，已经预测，表面梯度层将通过小空间和短时湍流来维持，而小空间和短时湍流受到太阳旋转的影响较小。但是，太阳中小规模湍流的分解需要大量的分辨率，这是一个昂贵的计算。我开发的“声音速度抑制方法”使与以前相比大大增加了分辨率，因为它有效地使用了并行计算机。该方法用于执行高分辨率太阳对流层的计算，并且在世界上首次通过数值计算复制了表面梯度层。此外，详细的分析揭示了维护机制。结果如下：受旋转影响的湍流带有角动量并产生差异旋转。这导致平均科里奥利力引起子午线回报。子午线返回流的径向梯度改变了湍流的性质。这是一个事实，即具有不同特性的湍流携带的动量作用于表面梯度层的力平衡。我在天体物理学期刊上发布了有关这一发现的信息。