О мелкомасштабном αE2-эффекте Крейчнана в конвективной зоне Солнца
Рубрика:
| 1Криводубский, ВН 1Астрономическая обсерватория Киевского национального университета имени Тараса Шевченко, Киев, Украина |
| Kinemat. fiz. nebesnyh tel (Online) 2015, 31(2):3-20 |
| Start Page: Физика Солнца |
| Язык: русский |
Аннотация: Сделан обзор явлений самоорганизации макроскопических структур в природе, обусловленных отрицательной турбулентной вязкостью, суть которой состоит в передачи энергии спирального турбулентного движения от мелких вихрей к крупным (т.н. обратный каскад энергии). Рассмотрен эффект спиральной отрицательной турбулентной диффузии (мелкомасштабный α2-эффект Крайчнана), возникающий в сильно завихренной турбулентной высокопроводящей жидкости, находящейся в неоднородном крупномасштабном магнитном поле. Этот эффект обладает свойством «стягивать» непрерывные магнитные поля в дискретные структуры. Проведенные нами расчеты для двух моделей солнечной конвективной зоны показали, что в глубинных слоях есть благоприятные условия для возбуждения эффекта спиральной отрицательной турбулентной диффузии. В предположе-нии, что время жизни τ2 спиральных структур равно времени жизни τ1 конвективных ячеек, рассчитанные значения коэффициента спиральной отрицательной магнитной турбулентной диффузии ηαΤ достигают двух третьих величины коэффициента положительной турбулентной диффузии ηΤ. Это должно в значительной степени содейст-вовать самоорганизации изначально слабых непрерывных магнитных полей в тонкие изолированные магнитные силовые трубки. |
| Ключевые слова: αE2-эффект, Солнце |
References:
1. А. А. Авраменко, Б. И. Басок, А. И. Тырнов, А. В. Кузнецов, "Эффект отрицательной тур¬булентной вязкости". Пром. теплотехника. № 1, 12—14 (2007).
2. Т. Ю. Антонов, П. Г. Фрик, "Каскадные процессы и скейлинг в классе моделей МГД турбулентности". Мат. моделирование систем и процессов. № 8, 4—10 (2000).
3. С. И. Брагинский, "Теория гидромагнитного динамо". Журн. эксперим. и теорет. фи¬з. 47 (12), 2178—2193 (1964).
4. В. П. Будаев, С. П. Савин, Л. М. Зеленый, "Наблюдения перемежаемости и обоб¬щенного самоподобия в турбулентных пограничных слоях лабораторной и магнитосферной плазмы: на пути к определению количественных характерис¬тик переноса". Успехи физ. наук. 181, 905—952 (2011).
5. С. И. Вайнштейн, Я. Б. Зельдович, А. А. Рузмайкин, Турбулентное динамо в астро¬физике, ( М.: Наука, 1980.—352 с.)
6. Н. Н. Горькавый, А. М. Фридман, "Физика планетных колец". Успехи физ. наук. 160 (2), С170—237 (1990).
7. Я. Б. Зельдович, "Магнитное поле при двумерном движении прово¬дящей жидкости". Журн. эксперим. и теорет. физ. 31, 154—156 (1956).
8. В. Д. Зимин, П. Г. Фрик, Турбулентная конвекция, ( М.: Наука, 1988.—174 с.)
9. Л. В. Козак, Р. И. Костык, О. К. Черемных, "Два режима турбулентности на Солнце". Кинематика и физика небес. тел. 29 (2), 22—29 (2013).
10. А. Н. Колмогоров, "Локальная структура турбулентности в несжимаемой вязкой жидкости при очень больших числах Рейнольдса". Докл. АН СССР. 30 (4), 299—303 (1941).
11. В. Н. Криводубский, "О турбулентной проводимости и магнитной проницаемости солнечной плазмы". Солнеч. данные. № 7, 99—109 (1982).
12. Ю. П. Ладиков-Роев, О. К. Черемных, Математические модели сплошных сред, ( Киев: Наук. думка, 2010.—552 с.)
13. Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц, Теоретическая физика, ( М.: Наука, 1986.—Т. 6. Гидродинамика.—736 с.)
14. А. И. Лебединский, "Вращение Солнца". Астрон. журн. 18 (1), 10—25 (1941).
15. С. С. Моисеев, Р. З. Сагдеев, А. В. Тур и др., "Теория возникновения крупномас¬штаб¬ных структур в гидродинамической турбулентности". Журн. эксперим. и теорет. физ. 85 (6 (12)), 1979—1987 (1983).
16. М. И. Рабинович, М. М. Сушик, "Когерентные структуры в турбулентных течениях", Нелинейные волны: Самоорганизация, ( М.: Наука, 1983), С. 56—85.
17. V. I. Abramenko, V. Carbone, V. Yurchyshyn, et al., "Turbulent diffusion in the pho¬tosphere as derived from photospheric bright point motion". Astrophys. J. 743, 139—148 (2011).
18. L. Biermann, "Bemerkungen ber das Rotationsgesetz in irdischen und stellaren Instabilittszonen". Z. Astrophys. 28 (1951).
19. D. Biscamp, "Cascade model for magnetohydrodynamic turbulence". Phys. Rev. 50E, 2702—2711 (1994).
20. E. Devlen, A. Brandenburg, D. Mitra, "A mean field dynamo from negative eddy dif¬fusivity". Mon. Notic. Roy. Astron. Soc. 432, 1651—1657 (2013).
21. W. Ebeling, Yu. L. Klimontovich, Selforganization and turbulence in liquids, ( Leipzig: Teubner-Verlag, 1984.—196 p.)
22. M. J. Feigenbaum, "The onset spectrum of turbulence". Phys. Lett. 74A, 375—378 (1979).
23. C. E. Fischer, Wijnde, R. Centeno, et al., "Statistics of convective collapse invents in the photosphere and chromosphere observed with the Hinode SOT". Astron. and Astrophys. 504, 583—588 (2009).
24. P. Frick, Sokoloff, "Cascade and dynamo action in a shell model of MHD turbulence". Phys. Rev, 1998—57E. P. 154—182. (1998—57E).
25. U. Frisch, A. Pouquet, I. Leorat, A. Mazure, "Possibility of an inverse cascade of magne¬tic helicity in magnetohydrodynamic turbulence". J. Fluid Mech. P. 769—778. (1975—68).
26. A. V. Getling, A. A. Buchnev, "Some structural features of the convective-velocity field in the solar photoshere". Astron. Repts. 54, 254—259 (2010).
27. E. G. Gibson, The Quiet Sun, ( Washington: scientific and technical information office, NASA, 1973.—51 p.)
28. H. Haken, Advanced Synergetics, ( Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo: Sringer- Verglag, 1983.—356 p.)
29. R. Howe, J. Christensen-Dalsgaard, F. Hill, et al., "Dynamic variations at the base of the solar convection zone". Science. 287, 2456—2460 (2000).
30. B. W. Kerr, G. L. Darkow, "Storm-relative winds and helicity in the tornadic thunderstorm environment". Weath. and Forecast. P. 489—496. (1996—11).
31. A. V. Kolesnichenko, "A synergetic approach to the description of advanced turbulence". Solar System Res. 36, P107—124 (2002).
32. A. V. Kolesnichenko, "On the simulations of helical turbulence in an astrophysical nonmagnetic disk". Solar System Res. 45, 246—263 (2011).
33. A. V. Kolesnichenko, M. Ya. Marov, "The effect of spirality of turbulence in the solar protoplanetary cloud". Solar System Res. 41, 1—18 (2007).
34. A. V. Kolesnichenko, M. Ya. Marov, "Magnetohydrodynamic simulation of the protoplanetary disk of the Sun". Solar System Res. 43, 410—433 (2009).
35. R. H. Kraichnan, "Internal-range spectrum of hydrodynamic turbulence". Phys. Fluids. 8, 1385—1387 (1965).
36. R. H. Kraichnan, "Helical turbulence and absolute equilibrium". J. Fluid Mech. 59, 745—752 (1973).
37. R. H. Kraichnan, "Diffusion of weak magnetic fields by isotropic turbulence". J. Fluid Mech. 75, 657—676 (1976).
38. R. H. Kraichnan, "Diffusion of passive-scalar and magnetic fields by helical turbulence". J. Fluid Mech. 77, 753—774 (1976).
39. F. Krause, K-H. Rdler, Mean-field magnetohydrodynamics and dynamo theory, ( Berlin: Academie-Verlag, 1980.—271 p.)
40. V. N. Krivodubskii, "Intensity of sources of magnetic fields of the solar-dynamo". Sov. Astron. , 316—320 (1984).
41. V. N. Krivodubskii, "Rotational anisotropy and magnetic quenching of gyrotropic turbulence in the solar convective zone". Astron. Repts. , 22—126 (1998).
42. V. N. Krivodubskii, "The structure of the global solar magnetic field excited by the turbulent dynamo mechanism". Astron. Repts. 45, 738—745 (2001).
43. V. N. Krivodubskij, "Turbulent dynamo near tachocline and reconstruction of azimu¬thal magnetic field in the solar convection zone". Astron. Nachr. 326 (1), 61—74 (2005).
44. V. N. Krivodubskii, "Turbulent effects of sunspot magnetic field reconstruction". Kinematics and Physics of Celestial Bodies. 28 (5), 232—238 (2012).
45. S. Nagata, S. Tsuneta, Y. Suematsu, et al., "Formation of solar magnetic flux tubes with kilogauss field strength ionduced by convective instability". Astrophys. J. 667, L145—L147 (2008).
46. L. J. November, J. Toomre, K. V. Gebbie, G. W. Simon, "The detection of mesogra¬nu¬lation on the Sun". Astrophys. J. 245, L123—L126 (1981).
47. E. N. Parker, "Hydromagnetic dynamo models". Astrophys. J. 122, 293—314 (1955).
48. E. N. Parker, Cosmic magnetic fields, ( Oxford: Oxford University Press, 1979.— 858 p.)
49. Y. Pomeau, P. Manneville, "Intermittent transition to turbulence in dissipative dynamical systems". Communs Math. Phys. 74 (2), 189—197 (1980).
50. E. R. Priest, Solar magnetohydrodynamics, ( Dordrecht, Holland: D. Reidel Publishing Company, 1982.—183 p.)
51. G. Nicolis, I. Prigogine, Self-organization in nonequilibrium systems: from dissipative structures to order through fluctuations, ( Wiley, 1977.—491 p.)
52. K. -H. Rdler, "Zur Elektrodynamik turbulent bewegtern leitender Medien". Z. Natur¬forsch. A. 23 (1968).
53. L. R. B. Rubio, I. R. Hidalgo, M. Collados, et al., "Observation of convective collapse and upward-moving shocks in the quiet Sun". Astrophys. J. 560, 1010—1019 (2001).
54. G. Rdiger, "On the negative viscosity in MHD turbulence". Magn. Hydrodyna¬mics. N 1, 3—14 (1980).
55. G. Rdiger, Differential rotation and stellar convection of the Sun and solar-type stars, ( Berlin: Academie-Verlag, 1989.—328 p. )
56. D. Ruelle, F. Takens, "On the nature of turbulence". Communs Math. Phys. 20 (3), 167—192 (1971).
57. D. Ruelle, F. Takens, "On the nature of turbulence". Communs Math. Phys. 23 (4), 343—344 (1971).
58. G. W. Simon, R. B. III. Leighton, "Velocity fields in the solar atmosphere. Large-scale motions, the chromospheric network, and magnetic fields". Astrophys. J. 140, 1120—1147 (1964).
59. H. C. Spruit, "A convection zone model", Magnetic flux tubes and transport of heat in the convection zone of the Sun: Thesis, ( Utrecht: Univ. Utrecht, 1977), P. 17—34.
60. H. C. Spruit, E. G. Zweibel, "Convective instability of thin flux tubes". Solar Phys. 62, P15—22 (1979).
61. V. P. Starr, Physics of negative viscosity phenomena, ( Toronto, London, Sydney: McGraw-Hill Book Company, 1968.—256 p.)
62. V. P. Starr, N. E. Gaut, J. A. Copeland, "Angular momentum transport in the solar nebula". Pure and Appl. Geophys. 67 (1), 221—232 (1967).
63. M. Steenbeck, F. Krause, "The generation of stellar and planetary magnetic fields by turbulent dynamo action". Z. Naturforsch. A. 21 (8) (1966).
64. M. Steenbeck, F. Krause, K. -H. Rdler, "A calculation of the mean electromotive force in electrically conducting fluid in turbulent motion, under the influence of Carioles forces". Z. Naturforsch. A. 21 (4) (1966).
65. M. Stix, The Sun: an introduction, second edition, ( Berlin: Springer-Verlag, 2002.—490 p.)
66. A. R. Webb, B. II. ConvectiveRoberts, "Vertical motions in an intensive magnetic flux tubes". Solar Phys. 59, 249—274 (1978).
67. N. O. Weiss, "The expulsion of magnetic flux by eddies". Proc. Roy. Soc. London A. 293, 310—328 (1966).
68. Ya. B. Zeldovich, A. A. Ruzmaikin, D. D. Sokoloff, Magnetic fields in astrophysics, ( New York: Gordon and Breach, 1983.)