第42回 ESCセミナー

回転球殻熱対流ダイナモにおける双極子磁場反転の原因となる対称性崩壊不安定性に関するシミュレーショ研究

日時
2008年9月26日 (金) 13:30 - 14:30
場所
横浜研究所 シミュレータ研究棟1階大会議室
講演者
西川 憲明 (計算システム計画・運用部)
使用言語
日本語

要旨

地磁気で見られる双極子磁場の反転現象はダイナモ問題の重要なテーマの一つである。近年いくつかの数値シミュレーションによって、回転球殻熱対流ダイナモが双極子磁場の自発的な反転を引き起こすことが確認されているが、強い非線形性のため、その現象に内在する物理機構は未だに十分理解されていない。本研究の目的は、3次元MHD数値シミュレーションに基づき、回転球殻中の熱対流ダイナモによる双極子磁場の反転機構を明らかにすることにある。特に、反転の原因となるダイナモ場の不安定性機構を特定することを目指す。シミュレーションの結果、磁気プラントル数がある閾値以下の場合、双極子磁場は安定に維持され、反転現象は発生しないが、磁気プラントル数が閾値以上の場合、ダイナモ活動は2つの異なるフェーズ(準安定フェーズと反転フェーズ)を不規則に移り変わることを見出した。準安定フェーズでは、卓越した双極子磁場が存在し、反転現象は起こらないが、反転フェーズでは双極子磁場のエネルギーが極めて小さくなると共にその極性が反転する。我々は、これらの計算結果において、主たる速度場が赤道面に対して対称であるという性質に注目し、一般的なダイナモ過程から赤道対称な速度場による赤道反対称な磁場の生成過程(a-dynamo)と赤道対称な速度場による赤道対称な磁場の生成過程(s-dynamo)を分離することによって、反転機構の理解を試みた。その結果、双極子磁場の準安定及び安定フェーズは、a-dynamo過程のみによって支配されるが、反転フェーズにおいては、s-dynamoの効果が強く作用することを明らかにした。さらに、赤道面に関する対称性を強制的に課すことにより、a-dynamoの対称性を磁場、磁場以外の場、又はすべての場に課したシミュレーションをそれぞれ実施した。その結果、部分的にでも赤道対称性が課された場合には、反転現象は起こらないことを確認した。この結果は磁場および熱対流運動におけるa-dynamo対称性の崩壊が反転現象を引き起こす原因であることを示唆している。

そこで、我々は対称性崩壊の原因を明らかにするために、a-dynamoの線形安定性解析を数値的に行った。その結果、a-dynamo は経度方向の周期性がフーリエモードの結合を通して壊れた場合に、赤道反対称な速度場と赤道対称な磁場からなる摂動に対して、不安定化することを明らかにした。この結果は非線形計算における反転過程の構造変化を良く説明することができるため、この不安定性が磁場反転の原因であると考えられる。ただし、線形解析ではa-dynamoは常に不安定であるため、双極子磁場の維持と反転現象のトリガのためには、何らかの非線形効果が必要であると思われる。

問い合わせ先

地球シミュレータセンター
廣瀬 重信
TEL : 045-778-5783
e-mail : shirose