太陽平均磁流發電機機制

磁流發電機理論認為﹐太陽磁場純粹是由太陽對流層內磁流體的較差自轉與湍流運動在磁場中所產生的感應電動勢來維持的﹐即太陽內的流逶碩?翁?鈎閃艘桓齟帕髯約し⒌緇?

由於太陽自轉的相對穩定狀態﹐在考慮磁場與流場相互作用過程中﹐可以近似地認為太陽的平均較差自轉是已知的﹐即不考慮洛倫茲力對運動的影響。平均磁場的變化規律﹐可由一組平均場的麥克斯韋方程和平均場的歐姆定律來表示。

對太陽觀測資料的分析表明﹐還可以近似地假定太陽平均磁場和平均較差自轉具有對自轉軸的軸對稱性質。柯林定理證明﹐在軸對稱磁場和速度場的條件下﹐不可能形成一個自激層流發電機﹐這是因為﹕若把磁場分解成環型分量B 和極型分量B ﹐從它們分量的感應方程可以看到﹐環型分量將由較差自轉與極型分量相互作用產生的感應電動勢而得到增ず臀?蜘o即B →B ﹔但是﹐在極型分量的感應方程中卻沒有相應的感應電動勢的來源﹐即不存在由較差自轉與環型分量相互作用而產生感應電動勢來增長與維持極型分量的過程﹐亦即B B ﹔因此﹐最初存在的極型分量終將衰減消失﹐而環型分量隨極型分量的消失也終將消失。

在存在湍流的條件下情況就不同了。雖然麥克斯韋方程因其線性關係在平均後的形式沒有改變﹐但對歐姆定律的平均中﹐除存在平均磁場與平均速度的矢積項外﹐還存在湍流磁場與湍流速度矢積的平均項﹐這一附加項稱為湍流電動勢。太陽對流層內的湍流在太陽自轉的科里奧利力作用下會呈現複雜的特性。在最簡單的情況下﹐假定湍流具有均勻各向同性﹐則湍流電動勢 便可近似地表示為與平均磁場 B 和平均電流J 成正比的形式﹐即﹐式中c 為光速﹐比例係數α﹑β由湍流特性來決定。第一項表明﹐在平均磁場方向上產生了一個與它成正比的電流﹐叫作α效應。第二項使得原來的黏滯係數增大了β倍﹐β稱為磁黏滯係數。

在湍流情況下﹐從平均場的感應方程中可知﹐平均磁場的環型分量容易從較差自轉與平均磁場的極型分量相互作用所產生的感應電動勢得以維持﹐B →B ﹔另一方面﹐更重要的是﹐由於α效應的作用﹐感應產生的環型平均磁場造成環型電流﹐而環型電流必將產生一個極型平均磁場﹐B →B 。這樣便完成了平均磁場從環型分量到極型分量﹐再由極型分量到環型分量的“發電機循環”步驟﹐B B ﹐即實現了軸對稱條件下的平均場自激發電過程。

湍流運動的平均磁流發電機機制﹐不僅能夠解釋太陽磁場的存在與維持﹐而且能夠解釋磁場呈現黑子蝴蝶圖(見黑子的日面分布)等現象。