Estudos numéricos do dínamo solar / Numerical studies of the solar dynamo

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DATA DE PUBLICAÇÃO

2009

RESUMO

O ciclo solar é um dos fenômenos magnéticos mais interessantes do Universo. Embora ele tinha sido descoberto há mais de 150 anos, até agora permanece um problema em aberto para a Astrofísica. Há diferentes tipos de observações que sugerem que o ciclo solar corresponde a um processo de dínamo operando em algum lugar do interior solar. Parker foi o primeiro a tentar explicar o dínamo solar como um processo hidro-magnético acerca de 50 anos atrás. Desde então, embora tenha havido avanços significativos nas observações e investigações teóricas e numéricas, uma resposta definitiva para o dínamo solar ainda não existe. Acredita-se que no caso do Sol, pelo menos dois processos são necessários para completar o ciclo magnético observado: a transformação de um campo poloidal inicial em um campo toroidal, um processo conhecido como efeito , o qual se deve ao cisalhamento em grande escala ocasionado pela rotação diferencial; e a transformação do campo toroidal em um novo campo poloidal de polaridade oposta ao inicial. Esse segundo processo é menos conhecido e motivo de intensas discussões e pesquisas. Duas hipóteses principais foram formuladas para explicar a natureza deste processo, usualmente conhecido como efeito : a primeira, baseada na idéia de Parker de um mecanismo turbulento onde os campos poloidais resultam de movimentos convectivos ciclônicos operando em tubos de fluxo toroidais em pequena escala. Esses modelos se depararam, no entanto, com um serio inconveniente: na fase não-linear, i.e., quando a reação dinâmica do campo magnético ao fluido torna-se importante, o efeito pode ser amortecido de forma catastrófica, levando a um dínamo pouco efetivo. A segunda hipótese é baseada nas idéias de Babcock (1961) e Leighton (1969) (BL), que propuseram que o campo poloidal forma-se devido à emergência e decaimento posterior das regiões bipolares ativas. Neste modelo a circulação meridional tem um papel fundamental pois atua como mecanismo de transporte do fluxo magnético, de tal forma que a escala de tempo advectivo deve dominar sobre a escala de tempo difusiva. Por essa razão essa classe de modelos é comumente conhecida como modelo de dínamo dominado pelo transporte de fluxo, ou dínamo advectivo. Os modelos de dínamo dominados pelo transporte de fluxo são relativamente bem sucedidos em reproduzir as características em grande escala do ciclo solar, tornando-se populares entre a comunidade de Física solar, no entanto, também apresentam vários problemas amplamente discutidos na literatura. O objetivo principal deste trabalho foi identificar as principais limitações dessa classe de modelos e explorar as suas possíveis soluções. Para tal, construímos um modelo numérico bi-dimensional de dínamo cinemático baseado na teoria de campo médio e investigamos primeiro os efeitos da geometria e da espessura da tacoclina solar na amplificação do dínamo. Depois, consideramos o processo de bombeamento magnético turbulento como um mecanismo alternativo de transporte de fluxo magnético, e finalmente, incluímos a reação dinâmica do campo magnético sobre a difusividade magnética turbulenta, um processo conhecido como amortecimento de . Verificamos que é possível construir-se um modelo de dínamo dominado pelo transporte de fluxo capaz de reproduzir as observações ao considerar-se uma tacoclina de espessura fina localizada abaixo da zona convectiva. Isto limita a criação de intensos campos toroidais não desejados nas altas latitudes. Verificamos também ser importante considerar o bombeamento magnético, pois ele provê advecção do fluxo magnético para o equador e para a base da camada convectiva, o que resulta em uma correta distribuição latitudinal e temporal dos campos toroidais e também permite certa penetração desses campos nas regiões mais estáveis onde podem adquirir maior amplificação. Esse mecanismo é ainda importante para produzir a paridade correta do campo (anti-simétrica) nos dois hemisférios do Sol. Também encontramos que o amortecimento da difusividade magnética é um mecanismo fundamental para a formação de pequenas estruturas de campo toroidal com maior tempo de vida, identificadas com os tubos de fluxo, que acredita-se existirem na base da zona de convecção. Além do mais, os campos magnéticos formados graças ao amortecimento de podem ser até ~2 vezes mais intensos que as estruturas magnéticas formadas sem o seu amortecimento. Por fim, nos últimos anos, alguns trabalhos teóricos vêm chamando a atenção para o papel da conservação da helicidade magnética no processo de dínamo, dando nova vida a modelos de dínamo turbulento, como originalmente proposto por Parker. Com o objetivo de investigar o papel da helicidade magnética e de buscar uma descrição dinâmica mais realista do mecanismo de dínamo, construímos recentemente um modelo numérico de convecção tridimensional (utilizando o código MHD, PLUTO) que tenta reproduzir o cenário natural do interior solar onde teria lugar o processo de dínamo. Exploramos a evolução de um campo magnético semente imposto sobre um estado convectivo estacionário. Os resultados preliminares indicam que a convecção pode facilmente excitar o efeito de dínamo, inclusive em casos sem rotação. Porém, nos casos com rotação, o dínamo parece produzir uma maior quantidade de campo magnético médio com relação aos casos sem a rotação nos quais o campo flutuante é dominante. Estes resultados suportam a existência de um dínamo turbulento y validam a teoria de campo médio, mas uma a análise mais detalhada ainda é necessária.

ASSUNTO(S)

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