Введение к работе
Актуальность проблемы, Для многих процессов, протекающих в конвективной зоне (КЗ) Солнца, большое значение имеют вращение и магнитные поля. Однако при решении конкретных задач влиянием одного из этих факторов обычно пренебрегают либо учитывают в линейном приближении, т.е. считают слабым. Такая практика, по-видимому, диктуется главным образом соображениями математической простоты, но не реальной физической ситуацией. Число Кориолиса для солнечной конвекции больше единицы, и плотность энергии тороидального поля не мала по сравнению с энергией конвективных движений (если о напряженности поля судить по его величине в солнечных пятнах). Иными словами, желательно отказаться от предположения о слабости влияния магнитного поля и вращения на конвекцию. Некоторые задачи, в которых это удается сделать, изложены в диссертации.
Одна из них связана с описанием плавучести магнитных полей. Первые результаты по плавучести магнитных трубок были сформулированы Паркером, и 'затем это явление изучалось в целом ряде работ. Считается, что плавучесть существенно влияет на работу гидромагнитного динамо и приводит к быстрому выносу магнитных полей из КЗ, уменьшая, таким образом, .напряженность генерируемых полей. Однако попытки количественного учета этого явления в моделях динамо сталкиваются с трудностями. Неясно, как такой учет следует проводить. В литературе по моделированию солнечного динамо встречаются совершенно различные представления магнитной плавучести. Причина, вероятно, в том, что теория динамо рассматривает крупномасштабные (усредненные) поля (КМП) в турбулентных средах, в то нремя как явление плавучести изучено главным образом для магнитных трубок в спокойной (не турбулентной) атмосфере, т.е. для совершенно иной физической ситуации. Для последовательного учета плавучести о моделях динамо необходим расчет этого эффекта рамках магнитной гидродинамики средних по-
лей. Такая задача решается в диссертации. Обнаруживается, что глобальное вращение существенно модифицирует эффект плавучести.
Другим явлением, для изучения которого требуется одновременный учет вращения и магнитного поля являются крутильные колебания, т.е. вариации дифференциального вращения в цикле солнечной активности. Крутильные колебания могут быть следствием влияния магнитного поля на конвективные потоки углового момента, являющиеся источниками дифференциального вращения. Имеющиеся в литературе расчеты такого влияния ограничиваются случаями медленного вращения либо слабого магнитного поля. Как уже отмечалось, данные приближения не вполне соответствуют реальным условиям в КЗ. Поэтому актуальным является выход за рамки этих приближений. В диссертации проведен расчет конвективных потоков углового момента (Л-эффекта) без ограничения как на величину напряженности магнитного поля, так и на скорость вращения.
Основной целью работы является изучение плавучести крупномасштабных магнитных полей в турбулентной вращающейся среде, а также вариаций дифференциального вращения, обусловленных влиянием циклически меняющегося магнитного поля на конвективные потоки углового момента, что включает в себя следующие задачи:
-
Изучение совместного влияния вращения и магнитного поля на турбулентность. Количественное описание анизотропии и модуляции интенсивности турбулентности, возникающих в результате такого влияния, в рамках квазилинейного Приближения.
-
Расчет эффекта плавучести средних магнитных полей в КЗ Солнца с учетом глобального вращения. Оценка роли эффекта плавучести для моделей солнечного динамо.
-
Расчет конвективных потоков \глового момента во вращающейся КЗ без ограничения на величину напряженности КМП и скорости вращения.
4. Построение модели крутильных колебаний КЗ Солнца.
Научная новизна работы 1. Впервые изучен эффект переноса среднего магнитного поля в турбулентной среде, возникающий из-за плавучести магнитных неоднородностей, появляющихся в результате возмущения крупномасштабного магнитного поля турбулентностью. Проанализирована зависимость данного эффекта от скорости вращения среды.
-
Известные ранее выражения для конвективных потоков углового момента обобщены с учетом магнитного поля произвольной напряженности.
-
Построена модель крутильных колебаиий Солнца, ключевым механизмом в которой является модуляция источников дифференциального вращения, циклически изменяющимся магнитным полем.
-
Получены оценки анизотропии и изменения интенсивности турбулентности, обусловленных совместным влиянием магнитного поля и вращения.
Научная и практическая значимость работы. Изученные в диссертации явления рассмотрены для не малых значений напряженности магнитных полей и скорости вращения. Это приближает теорию к реальным условиям в конвективной зоне Солнца. Результаты исследования могут быть применимы к конвективным зонам других звезд. Результаты по плавучести средних полей уже использовались для моделирования динамо в слое под конвективной зоной, а также в уравнениях динамо при моделировании крутильных колебаний.
На защиту выносятся следующие результаты и положения:
1. Решение задачи о плавучести средних магнитных полей в турбулентной среде с учетом вращения.
-
Количественное описание конвективной транспортировки углового момента с учетом крупномасштабных полей произвольной напряженности.
-
Модель крутильных колебаний конвективной оболочки Солнца.
-
Анализ и расчет совместного влияния магнитного поля и вращения на интенсивность и корреляционные масштабы турбулентности, и количественные оценки параметров анизотропии турбулентности в КЗ Солнца.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на семинарах Отдела физики Солнца ИСЗФ, семинаре Института Астрофизики (Потсдам , 1994), на конференции "Солнечные магнитные попя"(Фрайбург, 1993). Результаты опубликованы в 8 печатных работах.
Личный вклад азтора. Научные результаты, вошедшие в диссертацию, опубликованы в 8 работах. Из них в соавторстве выполнено 6 работ.
Решение задачи о плавучести средних магнитных полей в турбулентной среде получено совместно с Кичатиновым Л.Л., автор принимал участие в расчетах и интерпретации этого эффекта. Обобщение результатов по плавучести КМП на случай вращения проведено автором.
Расчет конвективной транспортировки углового момента с учетом крупномасштабных полей произвольной напряженности проведен автором самостоятельно, постановка задачи принадлежит Г.Рюдигеру и Л.Л.Кичатинову .
Численная модель крутильных колебаний построена автором совместно с М.Кукером.
Анализ и расчет совместного влияния магнитного поля и вращения на интенсивность и корреляционные масштабы турбулентности, и количественные оценки параметров анизотропии турбулентности в КЗ Солнца проведены автором самостоятельно.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Объем диссертации: 95 страниц машинописного текста, включая 14 рисунков и список литературы который содержит 93 наименования.
