Введение к работе
Для астрофизики актуальной темой остается исследование динамики средних магнитных полей и дифференциального вращения как частного случая средних течений в конвективной турбулентной среде. Согласно современным представлениям, объяснение природы глобальных полей следует искать во взаимодействии этих полей с относительно мелкомасштабными случайными движениями. Главным образом, это связано с известной способностью турбулентности влиять на усредненные крупномасштабные характеристики космической плазмы. Другими словами, конвективные движения не только возмущаются средними полями, но и, в свою очередь, сами'начинают воздействовать.на эти поля. Таким образом, свойства турбулентности в значительной степени определяют эффекты, существенные . для приложений.
Как правило, в реальных астрофизических объектах турбулентность развивается в неоднородной вращающейся среде. ' Наиболее важным примером в этом отношении может служить конвективная зоне Солнца (КЗС). Согласно существующим моделям, здесь все физические величины, включая и статистические характеристики среды, сильно зависят от вертикальной координаты, причем наиболее значительной является, по-видимому, неоднородность плотности, а влияние вращения на солнечную конвекцию не является слабым (умеренные числа Россби). Интерес к процессам взаимодействия турбулентных движений 'с вращением и неоднородноетями вещества КЗС связан главным образом с вовможностыо выяснить главные глобальные проблемы гидродинамики Солнца: природу солнечной активности'и дифференциального вращения. Эти проблемы взаимосвязаны и являются предметом многочисленных исследований.
Известно, что любое проявление солнечной активности связано с магнитными полями. Составной частью солнечного цикла является образование тороидального магнитного поля из исходного полои-дальиого. Этот процесс может осуществляться вслёдствии дифференциального вращения Солнца , которое в спою очередь сопровождается затратами энергии на преодоление вязких сил, в первую очередь, обусловленных турбулентностью. Без соответствующих источников наблюдаемая неоднородность вршцо-ния шнеохности КЗС ис- '
- 4 - ' чезла бы за несколько оборотов Солнца. Согласно .современным ч представлениям, такими источниками дифференциального врадения
МОГУТ СЛУЖИТЬ Процессы Переноса Неоднородной И/ИЛІ! гіК!!?,ОТЇОП!ЮЙ
турбулентностью потоков углового момента в КЗС. Заключительный этап солнечного цикла - генерация полоидалыюго магнитного поля из тороидального - может осуществляться отражательно-пеинвариан-тной турбулентнсстью. Случайные .движения, не обладающ^ изначальной гиротропностью, приобретают ее, если участвует во прощении.
Теория солнечной активности и дифференциального вращения известна лишь в общих чертах и пока не мож?г считаться разработанной детально. Для условий, близких к реальным, имеются в основном оценки по порядку величины, природа некоторых процессов известна только на качественном уровне.
Целью работы является изучение свойств конвективной турбулентности и ее влияния на процессы переноса крупномасштабных магнитных полей и потоков углового момента в КЗС.
Задача о динамике глобальных полей в турбулентной среде должна решаться самосогласованным образом, поскольку рассматриваемые эффекты связаны с обратной реакцией турбулентности на возмущения крупномасштабными полями . Кроме того, иссследование должно проводиться в соответствии с современными представлениями о структуре реальной конвективной зоны Солнца
Основные задачи.
-
Изучение свойств поля случайных-скоростей в анизотропных турбулентных средах.' .
-
Исследование динамики глобальных полей (течений и маг-, нитных полей) во вращающейся конвективной оболочке звезды.
-
Приложение полученных результатов к конвективной зоне Солнца
Шучная новизна настоящей работы определяется следующими
положениями. .
1. Б рамках приближения теории длины пути перемешивания впер вые исследована нелинейная динамика средних полей в анизотропной турбулентной среде. Выделенное направление гидродинамических движений определяется как векторным полем (силами плавучести или градиентом плотности), так и пеевдовекгорным (угловая скорость).
- 5 -2. Проанализировано влияние глобальных факторов (вращения, крупномасштабных течений, неоднородностей) на форму конвективных ячеек и меру анизотропии случайных движений.
' 3. Проведен расчет средней турбулентной электродвижущей си-ды для больших чисел Рейнольдса и Кориолиса. Исследовано влияние магнитных флуктуации на динамику крупномасштабных магнитных полей. Изучены процессы переноса магнитного поля, обусловленные неоднородностью средней плотности среды, а также эффекты генерации и диссипации магнитных полей в конвективной зоне Солнца. ,
-
В рамках приближения Дарни разработан подход, позволяющий описать конвективную турбулентность в стратифицированной среде. Построен соответствующий спектральный тензор во вращаю-, щейся с произвольней угловой скоростью конвективной оболочке,
-
В рамках приближения изотропной вязкости проведен расчет профиля угловой скорости вращения с произвольным по величине градиентом плотности. Получено решение азимутальной компоненты усредненного уравнения движения со свободными от напряжений граничными условиями. Построены поверхности изорогацин вещества конвективной оболочки в некоторых интересных для приложений случаях.
Практическая ценность результатов.
-
Теория длины пути перемешивания обобщена для стратифицированной среды.
-
Проведенный расчет среднее электродвижуцей силы позволяет объяснить некоторые динамические процессы в конвективной зоне Солнца. Полученную миграцию тороидальных магнитных полей к экватору нужно учитывать при объяснении закона Шмерера, что позволяет снять противоречие между теориями дифференциального вращения и солнечного динамо относительно внака радиального градиента угловой скорости. Предсказанный преимущественный перенес тороидального и полоидалыюго магнитных полей вглубь КЗС может аначи-тельно снизить выталкивающее дейстние плавучести Паркера, и тем самым повысить эффективность генерации магнитных полей до наблюдаемых величин. Для условий, характерных для Солнца, вычислены коэффициенты генерации альфа-эффекта и динамо Рздлера, знаки которых позволяют сделать вывод о возможности колебательного режима генерации гелиомагнитных полей.
- б - .
3. Сплюснутость наблюдаемых ячеек грануляции и еуперграну--
ляции можно объяснить стратификацией вещества конвективной зоны
Солнца, в частное/, неоднородностыр средней плотности. Кроме
того, предсказаны некоторое удлиннение и ориентация ячеек вдоль оси вращения в результате действия сил Кориолиса. Для КЗС конт-
..' ролирующая топологию ячеек комбинация вращения и плавучести меняется с широтой. Это обстоятельство . необходимо принимать во
.внимание при объяснении наблюдаемой зависимости от широты характерных параметров и формы ячеек супергрануляции.
-
Полученный спектральный тензор конвективной турбулентности позволяет вычислить потоки углового момента, являющиеся источниками дифференциальной температуры в уравнении непрерывности для конвективного потока тепла.
-
Согласно полученному решению, направление и величина меридионального потока углового момента определяет зависимость угловой скорости вращения Солнца от широты. Поэтому следствием положительного в северном полушарии и отрицательного в южном меридионального потока углового момента является экваториальное ускорение;Солнца. Таким образом, снимается известное несоответствие теории дифференциального вращения и данных наблюдений и ге-лиосейсмологии. . .(
Апробация работы. Результаты иследований, вошедших в дис
сертацию, докладывались и обсуждалсиь на следующих конференциях
и семинарах. .
XX Всесоюзная научная студенческая конференция "Студент и научно-технический прогресс", (Новосибирск, 1982)
Конференции молодых ученых СибИЗЫИР, (Иркутск, 1986). '
Семинары Сектора "Теоретическая астрофизика" Зизико-техни- " ческсго института им. А. Ф.Иоффе (С.-Петербург)
Семинары отдела физики Солнца СибИЗМИР (Иркутск)
Семинары и конференции, проводимые в Красноярском государст-' венном университете (Красноярск)
Объем диссертации и ее структура. Диссертация состоит из
введения, 4 глав, заключения, прилокен/й, содержи 146 страниц,
включая рисунков и список литературы из 209 наименований.