Investigations of spherical kinematic mean-field dynamo models
Investigations of spherical kinematic mean-field dynamo models
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DOI：
10.1002/asna.2113070205
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发表时间：
1986
影响因子：
0.9
通讯作者：
K. Rädler
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
K. Rädler
The paper supplements an earlier one on the mean-field approach to spherical kinematic dynamo models (Radler 1980a) by results of numerical investigations. A number of dynamo models working on the basis of the α2-mechanism are considered. Cases of pure α2-mechanism are studied, which includes only the simplest form of α-effect and no other induction effect, as well as cases with several additional effects due to fluctuating or mean motions. By the pure α2-mechanism axisymmetric and non-axisymmetric fields, can be excited and maintained with nearly equal ease. Part of the additional induction effects, however, clearly favour axisymmetric fields, and others non-axisymmetric fields. The non-axisymmetric fields are waves which travel in azimuthal direction, eastward or westward, depending on the models. For special dynamo models the transition from α2 to αω-mechanism and properties of the latter are investigated. The results support the presumption that the αω-mechanism is able to maintain only axisymmetric but never non-axisymmetric fields. Conditions for the occurrence of non-oscillatory or oscillatory fields are discussed, and again the influence of additional induction effects is studied. There are further presented a model with βω-mechanism maintaining an axisymmetric non-oscillatory field, and models with two kinds of δω-mechanisms allowing axisymmetric non-oscillatory and oscillatory fields. Some ideas concerning dynamo models for the Earth, the Sun and magnetic stars are discussed. It seems possible to construct dynamo models for the Earth, on the basis of the α2-mechanism which explain not only the presence of a magnetic field with a strong dipole part but also the inclination of the dipole axis against the axis of rotation, the occurrence of higher multipoles and the westward drift of the non-axisymmetric parts. Models with αω, βω or δω-mechanism, which have to be considered in the case of a strong differential rotation inside the core, provide an explanation at first only of the axisymmetric parts of the field, and the non-axisymmetric parts have then to be interpreted, for example, as MAC-waves. As far as dynamo models for the Sun are concerned, in addition to the possibility of an αω-mechanism also that of a βω or δω-mechanism is discussed, which, however, does not look not very promising. In the models developed so far, which work with the αω-mechanism, only a few of the induction effects of fluctuating motions have been included; it seems necessary to investigate also influences of other effects. The sectorial structure of the solar magnetic field can hardly be understood in terms of the traditional mean-field concept. The magnetic stars possess fields which strongly deviate from symmetry with respect to the axis of rotation. The occurrence of such fields seems understandable only if there is no noticeable differential rotation. They can be maintained by an α2-mechanism but hardly by αω, βω or δω-mechanisms. Eine vorangehende Untersuchung uber spharische kinematische Dynamomodelle auf der Grundlage der Elektrodynamik der gemittelten Felder (Radler 1980 a) wird durch Ergebnisse numerischer Rechnungen erganzt. Es wird eine Reihe von Dynamomodellen behandelt, die auf Grund des α2-Mechanismus arbeiten. Dabei werden sowohl Falle mit reinem α2-Mechanismus betrachtet, der lediglich auf dem α-Effekt in seiner einfachsten Form beruht, als auch Falle mit verschiedenen weiteren Induktionseffekten von fluktuierenden oder mittleren Bewegungen. Beim reinen α2-Mechanismus bestehen keine wesentlichen Unterschiede in den Anregungsbedingungen fur axialsymmetrische und fur nicht-axialsymmetrische Felder. Ein Teil der zusatzlichen Induktionseffekte jedoch begunstigt deutlich die axialsymmetrischen, ein anderer Teil die nicht-axialsymmetrischen Felder. Die letzteren haben die Form von Wellen, welche in azimuthaler Richtung wandern, wobei der Umlaufsinn von den Modellparametern abhangt. Fur spezielle Dynamomodelle werden der ubergang von α2-Mechanismus zum αω-Mechanismus und Eigenschaften des letzteren untersucht. Die Ergebnisse stutzen die Vermutung, wonach der αω-Mechanismus lediglich axialsymmetrische Felder erhalten kann. Es werden Bedingungen fur das Auftreten von nicht-oszillatorischen und oszillatorischen Feldern diskutiert und wiederum Einflusse zusatzlicher Induktionseffekte untersucht. Weiterhin wird ein Modell angegeben, in dem auf Grund des βω-Mechanismus ein axialsymmetrisches nicht-oszillatorisches Feld aufrechterhalten wird, und es werden Modelle mit zwei Arten von δω-Mechanismen betrachtet, die sowohl nicht-oszillatorische als auch oszillatorische axialsymmetrische Felder zulassen. An diese Ergebnisse anknupfend, werden einige Gedanken zu Dynamomodellen fur die Erde, die Sonne und magnetische Sterne dargelegt. Es erscheint moglich, Dynamomodelle fur die Erde mit α2-Mechanismus zu konstruieren, die nicht nur das Vorhandensein eines Magnetfeldes mit starkem Dipolanteil erklaren, sondern auch die Neigung der Dipolachse gegen die Rotationsachse, das Auftreten von hoheren Multipolen und die Westdrift der nicht-axialsymmetrischen Anteile wiedergeben. Dynamomodelle mit einem αω-, βω- oder δω-Mechanismus, die im Falle einer hinreichend starken differentiellen Rotation des Kernes zu betrachten sind, vermogen zunachst nur axialsymmetrische Anteile des Magnetfeldes der Erde zu erfassen; die nicht axialsymmetrischen konnen dann beispielsweise als MAC-Wellen gedeutet werden. Bei Dynamomodellen fur die Sonne wird neben der Moglichkeit des αω-Mechanismus die eines βω- oder δω-Mechanismus kurz diskutiert, die jedoch wenig realistisch erscheint. Die bisher entwickelten Modelle, die mit einem αω-Mechanismus arbeiten, berucksichtigen nur einen geringen Teil der Induktionseffekte der fluktuierenden Bewegungen; es ist notwendig, Einflusse weiterer solcher Induktionseffekte zu untersuchen. Es durfte kaum moglich sein, die Sektorstruktur des Magnetfeldes der Sonne im Rahmen des traditionellen Konzeptes der mittleren Felder zu verstehen. Die magnetischen Sterne zeigen Felder, die stark von der Symmetrie bezuglich der Rotationsachse abweichen. Das Auftreten solcher Felder erscheint nur dann verstandlich, wenn keine nennenswerte differentielle Rotation vorliegt. Sie konnen die Folge eines α2-Mechanismus sein, wahrend αω-, βω- oder δω-Mechanismus nicht moglich erscheinen.
