太阳平均磁流发电机机制
中文词条】太阳平均磁流发电机机制
【外文词条】mechanism of solar mean hydromagnetic dynamo
【作者】周道祺
解释太阳磁场的一种理论模型。观测表明﹐太阳上存在著随太阳活动周期变化的磁场和较差自转运动﹐而且它们还具有明显的不规则性和随机性。因此﹐太阳上的磁场和自转速度﹐可认为是由平均磁场和平均较差自转速度分别地同它们对应的湍流部分迭加而成的。磁流发电机理论认为﹐太阳磁场纯粹是由太阳对流层内磁流体的较差自转与湍流运动在磁场中所产生的感应电动势来维持的﹐即太阳内的流逶硕翁钩闪艘桓龃帕髯约し⒌缁
由于太阳自转的相对稳定状态﹐在考虑磁场与流场相互作用过程中﹐可以近似地认为太阳的平均较差自转是已知的﹐即不考虑洛伦兹力对运动的影响。平均磁场的变化规律﹐可由一组平均场的麦克斯韦方程和平均场的欧姆定律来表示。
对太阳观测资料的分析表明﹐还可以近似地假定太阳平均磁场和平均较差自转具有对自转轴的轴对称性质。柯林定理证明﹐在轴对称磁场和速度场的条件下﹐不可能形成一个自激层流发电机﹐这是因为﹕若把磁场分解成环型分量B 和极型分量B ﹐从它们分量的感应方程可以看到﹐环型分量将由较差自转与极型分量相互作用产生的感应电动势而得到增ず臀蜘o即B →B ﹔但是﹐在极型分量的感应方程中却没有相应的感应电动势的来源﹐即不存在由较差自转与环型分量相互作用而产生感应电动势来增长与维持极型分量的过程﹐亦即B B ﹔因此﹐最初存在的极型分量终将衰减消失﹐而环型分量随极型分量的消失也终将消失。
在存在湍流的条件下情况就不同了。虽然麦克斯韦方程因其线性关系在平均后的形式没有改变﹐但对欧姆定律的平均中﹐除存在平均磁场与平均速度的矢积项外﹐还存在湍流磁场与湍流速度矢积的平均项﹐这一附加项称为湍流电动势。太阳对流层内的湍流在太阳自转的科里奥利力作用下会呈现复杂的特性。在最简单的情况下﹐假定湍流具有均匀各向同性﹐则湍流电动势 便可近似地表示为与平均磁场 B 和平均电流J 成正比的形式﹐即﹐式中c 为光速﹐比例系数α﹑β由湍流特性来决定。第一项表明﹐在平均磁场方向上产生了一个与它成正比的电流﹐叫作α效应。第二项使得原来的黏滞系数增大了β倍﹐β称为磁黏滞系数。
在湍流情况下﹐从平均场的感应方程中可知﹐平均磁场的环型分量容易从较差自转与平均磁场的极型分量相互作用所产生的感应电动势得以维持﹐B →B ﹔另一方面﹐更重要的是﹐由于α效应的作用﹐感应产生的环型平均磁场造成环型电流﹐而环型电流必将产生一个极型平均磁场﹐B →B 。这样便完成了平均磁场从环型分量到极型分量﹐再由极型分量到环型分量的“发电机循环”步骤﹐B B ﹐即实现了轴对称条件下的平均场自激发电过程。
湍流运动的平均磁流发电机机制﹐不仅能够解释太阳磁场的存在与维持﹐而且能够解释磁场呈现黑子蝴蝶图(见黑子的日面分布)等现象。