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Formation and stability of the solar tachocline in MHD simulations

Entstehung und Stabilität der solaren Tachokline in MHD Simulationen

  • The solar tachocline is a thin transition layer between the solar radiative zone rotating uniformly and the solar convection zone, which has a mainly latitudinal differential rotation profile. This layer has a thickness of less than $0.05R_{\sun}$ and is subject to extreme radial as well as latitudinal shears. Helioseismological estimates put this layer at roughly $0.7R_{\sun}$. The tachocline mostly resides in the sub-adiabatic, non-turbulent radiative interior, except for a small overlap with the convection zone on the top. Many proposed dynamo mechanisms involve strong toroidal magnetic fields in this transition region. The exact mechanisms behind the formation of such a thin layer is still disputed. A very plausible mechanism is the one involving a weak, relic poloidal magnetic field trapped inside the radiative zone, which is responsible for expelling differential rotation outwards. This was first proposed by \citet{RK97}. The present work develops this idea with numerical simulations including additional effects like meridionalThe solar tachocline is a thin transition layer between the solar radiative zone rotating uniformly and the solar convection zone, which has a mainly latitudinal differential rotation profile. This layer has a thickness of less than $0.05R_{\sun}$ and is subject to extreme radial as well as latitudinal shears. Helioseismological estimates put this layer at roughly $0.7R_{\sun}$. The tachocline mostly resides in the sub-adiabatic, non-turbulent radiative interior, except for a small overlap with the convection zone on the top. Many proposed dynamo mechanisms involve strong toroidal magnetic fields in this transition region. The exact mechanisms behind the formation of such a thin layer is still disputed. A very plausible mechanism is the one involving a weak, relic poloidal magnetic field trapped inside the radiative zone, which is responsible for expelling differential rotation outwards. This was first proposed by \citet{RK97}. The present work develops this idea with numerical simulations including additional effects like meridional circulation. It is shown that a relic field of 1~Gauss or smaller would be sufficient to explain the observed thickness of the tachocline. The stability of the solar tachocline is addressed as the next part of the problem. It is shown that the tachocline is stable up to a differential rotation of 52\% in the absence of magnetic fields. This is a new finding as compared to the earlier two dimensional models which estimated the solar differential rotation (about 28\%) to be marginally stable or even unstable. The changed stability limit is attributed to the changed stability criterion of the 3-dimensional model which also involves radial gradients of the angular velocity. In the presence of toroidal magnetic field belts, the lowest non-axisymmetric mode is shown to be the most unstable one for the radiative part of the tachocline. It is estimated that the tachocline would become unstable for toroidal fields exceeding about 100~Gauss. With both formation and stability questions satisfactorily addressed, this work presents the most comprehensive analysis of the physical processes in the solar tachocline to date.show moreshow less
  • Die Sonne besteht aus verschiedenen Zonen, die durch die Art des Energietransports von innen nach aussen unterschieden werden. Der innere Teil heißt Strahlungs-, der äußere Teil Konvektionszone. Die Grenzschicht zwischen den beiden Regionen liegt bei etwa 70% des Sonnenradius. Beide Zonen rotieren in ausgezeichneter Weise um die Sonnenachse. In der konvektiven Zone ändert sich die Rotationsrate mit dem Breitengrad und ist nur schwach von der radialen Position abhängig. Dies wird als latitudinale differentielle Rotation bezeichnet. Im Gegensatz dazu rotiert ein Großteil der Strahlungszone gleichförmig. Der Übergang von gleichförmiger Rotation im Inneren zu differentieller Rotation außen geschieht innerhalb einer sehr dünnen Schicht, die ungefähr mit der Grenzschicht zwischen den beiden Zonen übereinstimmt. Diese Schicht hat eine Ausdehnung von etwa 5% des Sonnenradius und wird als “Tachokline” bezeichnet. Die Existenz der Tachokline wurde vor etwa zwei Jahrzehnten bestätigt. Seit ihrer Entdeckung wurden verschiedenste ModelleDie Sonne besteht aus verschiedenen Zonen, die durch die Art des Energietransports von innen nach aussen unterschieden werden. Der innere Teil heißt Strahlungs-, der äußere Teil Konvektionszone. Die Grenzschicht zwischen den beiden Regionen liegt bei etwa 70% des Sonnenradius. Beide Zonen rotieren in ausgezeichneter Weise um die Sonnenachse. In der konvektiven Zone ändert sich die Rotationsrate mit dem Breitengrad und ist nur schwach von der radialen Position abhängig. Dies wird als latitudinale differentielle Rotation bezeichnet. Im Gegensatz dazu rotiert ein Großteil der Strahlungszone gleichförmig. Der Übergang von gleichförmiger Rotation im Inneren zu differentieller Rotation außen geschieht innerhalb einer sehr dünnen Schicht, die ungefähr mit der Grenzschicht zwischen den beiden Zonen übereinstimmt. Diese Schicht hat eine Ausdehnung von etwa 5% des Sonnenradius und wird als “Tachokline” bezeichnet. Die Existenz der Tachokline wurde vor etwa zwei Jahrzehnten bestätigt. Seit ihrer Entdeckung wurden verschiedenste Modelle vorgeschlagen, um die Existenz einer solchen Schicht zu erklären. Diese Arbeit wendet das bislang beliebteste und erfolgreichste dieser Modelle an, das zuerst von Rüdiger & Kitchatinov (1997) vorgeschlagen wurde. Darin wird angenommen, dass während ihrer Entstehung ein schwaches Magnetfeld im Inneren der Sonne eingeschlossen wurde. Ein solches Feld verdrängt die differentielle Rotation erfolgreich in den äußeren Randbereich der Strahlungszone und erzeugt so die Tachokline. Die Theorie nimmt weiter an, dass die Tachokline aktiv mit der darunterliegenden strahlungsdominierten Zone verbunden ist, gemäß der Beobachtung, dass ein Großteil der Tachokline unterhalb des Fußes der Konvektionszone liegt. Diese Arbeit legt verbesserte numerische Simulationen vor, die dem früheren Modell zwei neue physikalische Effekte hinzufügt: schwache radiale und horizontale Strömungen (“meridionale Strömungen” genannt) und Temperaturgradienten. Es wird gezeigt, dass ein eingeschlossenes Feld von weniger als einem Gauß ausreichend wäre, die beobachtete Dicke der Tachokline zu erkären. In einem weiteren Schritt wird versucht zu ergründen, ob die Tachokline eine stabile Schicht innerhalb der Sonne ist. Es wird gezeigt, dass sie, in Abwesenheit eines Magnetfeldes, stabil bleibt, solange die Winkelgeschwindigkeit am Pol nicht unter 52% derer am Äquator fällt. Da sekundäre Strömungen hauptsächlich horizontal verlaufen, haben Temperaturgradienten wenig Einfluss auf die Stabilität der Tachokline. In Gegenwart eines Magnetfeldes wird die Grenzschicht für Felder stärker als 100 Gauß instabil. Indem sowohl Fragen zur Entstehung als auch zur Stabilität zufriedenstellend angesprochen werden, stellt diese Arbeit die derzeit umfassendste Analyse der physikalischen Vorgänge in der Tachokline dar.show moreshow less

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Metadaten
Author:Aniket Sule
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-14612
Advisor:Günther Rüdiger
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2007
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2007/07/02
Release Date:2007/07/06
Tag:Magnetohydrodynamik; Sonne; Tachokline
Magnetohydrodynamics; Sun; Tachocline
RVK - Regensburg Classification:US 1080
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik und Astronomie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 52 Astronomie / 520 Astronomie und zugeordnete Wissenschaften
Notes extern:
PACS: 96.60.Jw , 96.60.Hv