Вісник Астрономічної школи, 2018, том 14, № 2, с. 62–69

https://doi.org/10.18372/2411-6602.14.09
Завантажити PDF
УДК 523.98

Конвективний овершут і тахоклін – найбільш сприятливі глибинні шари Сонця для збудження тороїдального магнітного поля

Криводубський В.Н.

Астрономічна обсерваторія Київського національного університету імені Тараса Шевченка,

Реферат

Новизна моделей турбулентного динамо сонячного циклу, запропонованих в останні роки, полягає в тому, що генерація полоїдальної і тороїдальної компонент глобального магнітного поля відбувається не однаково ефективно у всій сонячній конвективній зоні (СКЗ), як раніше вважалося, а зосереджується в розподілених ділянках СКЗ. У зв'язку з цим набуває актуальності питання про локалізацію Ω-ефекту, який збуджує тороїдальне поле, оскільки амплітуда сонячного циклу залежить від величини останнього. У роботі проаналізована роль глибинних шарів у нижній частині СКЗ, що охоплюють шар проникної конвекції (конвективний овершут) і шар тахокліну, при генерації потужного тороїдального поля. Висвітлено недавні дослідження автора про роль глибинних шарів СКЗ у поясненні спостережуваного явища подвійних максимумів циклу сонячних плям. У конвективному овершуті створюються необхідні умови для формування шару тривалого утримання магнітного поля, тоді як у тахокліні завдяки різкому зменшенню кутової швидкості при наявності слабкого полоїдального поля ефективно генерується потужне тороїдальне поле. Проте подальша еволюція цього поля відбувається в різних режимах в полярному і екваторіальному доменах СКЗ. У полярному домені два ефекти антиплавучості (макроскопічний турбулентний діамагнетизм і ∇ρ-ефект) блокують магнітне спливання поля. Тоді як в екваторіальному домені в нижній частині СКЗ один з ефектів магнітної антиплавучості (∇ρ-ефект) змінює свій знак на протилежний, тим самим допомагаючи магнітній плавучості Паркера. В результаті тут ефект плавучості Паркера переважає ефект антиплавучості макроскопічного турбулентного діамагнетизму. Тому через деякий час тороїдальне поле піднімається на поверхню і утворює магнітні біполярні групи сонячних плям (перша спрямована догори хвиля тороїдального поля, яка відповідальна за основний максимум активності плямоутворення). Важливим чинником процесів у глибинних шарах служить спрямована до екватору меридіональна течія, яка забезпечує міграцію заблокованого поблизу дна СКЗ тороїдального поля від високих широт до низьких. Тому через 1–2 роки заблоковане приполярне тороїдальне поле досягає ділянки в приекваторіальному домені, де вже існують сприятливі умови для його підйому на поверхню. Тут це затримане в часі тороїдальне поле піднімається до сонячної поверхні (друга спрямована вгору магнітна хвиля) і забезпечує тим самим повторний максимум сонячних плям.

Ключові слова: Сонце; магнітний цикл; конвективна зона; турбулентне динамо; магнітна плавучість; «негативна магнітна плавучість»; конвективний овершут; тахоклін; меридіональна циркуляція

Перелік посилань

  1. Parker E.N. Hydromagnetic dynamo models // Astrophys. J. – 1955. – Vol. 122. – P.293–314. https://doi.org/10.1086/146087
  2. Вайнштейн С.И., Зельдович Я.Б., Рузмайкин А.А. Турбулентное динамо в астрофизике. – М.: Наука, 1980. – 352 с.
  3. Zeldovich Ya.B., Ruzmaikin A.A., Sokoloff D.D. Magnetic Fields in Astrophysics. – New York: Gordon and Breach, 1983.
  4. Kitchatinov L.L. The solar dynamo: Inferences from observations and modeling // Geomagnetism Aeronomy. – 2014. – Vol. 54. – P.867–876. https://doi.org/10.1134/s0016793214070056
  5. Криводубський В.Н. Роль альфа-ефекту Бебкока-Лейтона в генерації полоїдального магнітного поля Сонця // Вісник Астроном. школи. – 2016. – Vol. 12, № 1–2. – С.153–165. https://doi.org/10.18372/2411-6602.12.2153
  6. Криводубський В. Альфа-ефект Бебкока-Лейтона у поверхневих шарах Сонця // Вісник Київ. нац. ун-ту ім. Тараса Шевченка. Астрономія. – 2017. – № 1(55). – С.22–29.
  7. Parker E.N. The formation of sunspots from the solar toroidal field // Astrophys. J. – 1955. – Vol. 121. – P.491–507. https://doi.org/10.1086/146010
  8. Roxburgh I.W. Convection and solar structure // Astron. Astrophys. – 1978. – Vol. 65. – P.281–285.
  9. Spiegel E.A., Weiss N.O. Magnetic activity and variations in solar luminosity // Nature. – 1980. – Vol. 287. – P.616–617. https://doi.org/10.1038/287616a0
  10. Van Ballegooijen A.A. The overshoot layer at the base of the solar convective zone and the problem of magnetic flux storage // Astron. Astrophys. – 1982. – Vol. 113. – P.99–112.
  11. Зельдович Я.Б. Магнитное поле при двумерном движении проводящей жидкости // ЖЭТФ. – 1956. – Vol. 31. – С.154–156.
  12. Stix M. The Sun: an introduction, second edition. – Berlin: Springer-Verlag, 2002. – 490 p.
  13. Krivodubskij V.N. Magnetic field transfer in the turbulent solar envelope // Soviet Astronomy. – 1984. – Vol. 28, No. 2. – P.205–211.
  14. Krivodubskij V.N. Transfer of the large-scale solar magnetic field by inhomogeneity of the material density in the convective zone // Soviet Astronomy Lett. – 1987. – Vol. 13. – P.338–341.
  15. Krivodubskij V.N. Turbulent dynamo near tachocline and reconstruction of azimuthal magnetic field in the solar convection zone // Astron. Nachrichten. – 2005. – Vol. 326, No. 1. – P.61–74. https://doi.org/10.1002/asna.200310340
  16. Криводубский В.Н. О турбулентной проводимoсти и магнитной проницаемости солнечной плазмы // Солнеч. данные. – 1982. – № 8. – С.99–109.
  17. Krivodubskij V.N. Turbulent effects of sunspot magnetic field reconstruction // Kinematics Phys. Celestial Bodies. – 2012. – Vol. 28, No. 5. – P.232–238. https://doi.org/10.3103/s0884591312050054
  18. Drobyshevskij E.M. Magnetic field transfer by two-dimensional convection and solar “semi-dynamo” // Astrophys. Space Sci. – 1977. – Vol. 46. – P.41–49. https://doi.org/10.1007/bf00643752
  19. Вайнштейн С.И. МГД-эффекты в турбулентной среде с неоднородной плотностью // Магнитная гидродинамика. – 1978. – № 1. – С.45–50.
  20. Кичатинов Л.Л. О магнитной гидродинамике средних полей в неоднородной турбулентной среде // Магнит. гидродинамика. – 1982. – № 3. – С.67–73.
  21. Кичатинов Л.Л., Криводубський В.Н. Вплив обертання Сонця на турбулентне перенесення великомасштабного магнітного поля у конвективній зоні // Кинематика и физика небес. тел. – 1991. – Т.7, № 6. – С.30–39.
  22. Krivodubskij V.N. Turbulent transport of largescale magnetic field in the rotating solar convective zone // Soviet Astronomy. – 1992. – Vol. 36, No. 4. – P.432–435.
  23. Kitchatinov L.L. Turbulent transport of magnetic fields in a highly conducting rotating fluid and the solar cycle // Astron. Astrophys. – 1991. – Vol. 243, No. 2. – P.483–491.
  24. Basu S. Seismology of the base of the solar convection zone // Mon. Not. Roy. Astron. Soc. – 1997. – Vol. 288. – P.572–584. https://doi.org/10.1093/mnras/288.3.572
  25. Marik D., Petrovay K. A new model for the lower overshoot layer in the Sun // Astron. Astrophys. – 2002. – Vol. 96. – P.1011–1014. https://doi.org/10.1051/0004-6361:20021311
  26. Rüdiger G., Brabdenburg A. A solar dynamo in the overshoot layer: cycle period and butterfly diagram // Astron. Astrophys. – 1995. – Vol. 296. – P.557–566.
  27. Spiegel E.A., Zahn J.-P. The solar tachocline // Astron. Astrophys. – 1992. – Vol. 265. – P.106–114.
  28. Howe R., Christensen-Dalsgaard J., Hill F., Komm R., Larsen R. M., Schou J., Thompson M., Toomre J. Dynamic variations at the base of the solar convection zone // Science. – 2000. – Vol. 287. – P.2456–2460. https://doi.org/10.1126/science.287.5462.2456
  29. Charbonneau P., Christensen-Dalsgaard J., Henning R., Larsen R.M., Schou J., Thompson M.J., Tomczyk S. Helioseismic constraints on the structure of solar tachocline // Astrophys. J. – 1999. – Vol. 527. – P.445–460. https://doi.org/10.1086/308050
  30. Kosovichev A.G. Helioseismic constraints on the gradient of angular velocity at the base of the solar convection zone // Astrophys. J. – 1996. – Vol. 469. – P.L61–L64. https://doi.org/10.1086/310253
  31. Kryvodubskyj V.N. Dynamo parameters of the solar convection zone // Kinematics Phys. Celestial Bodies. – 2006. – Vol. 22, No. 1. – P.1–20.
  32. Krivodubskij V.N. Double maxima of 11-year solar cycles // Kinematics Phys. Celestial Bodies. – 2017. – Vol. 33, No. 1. – P.24–38. https://doi.org/10.3103/s0884591317010044
  33. Hathaway D.H., Nandy D., Wilson R.M., Reichmann E.J. Evidence that a deep meridional flow sets the sunspot cycle // Astrophys. J. – 2003. – Vol. 589. – P.665–670. https://doi.org/10.1086/374393
  34. Georgieva K. Why the sunspot cycle is doubly peaked // ISRN Astronomy and Astrophysics. – 2011. – Article ID 437838. – 11 p. https://doi.org/10.5402/2011/437838

Завантажити PDF