长周期振荡控制太阳的差异自转

太阳的差异自转模式几十年来一直困扰着科学家：两极自转周期约为 34 天，中纬度地区自转速度更快，赤道地区自转一周仅需约 24 天。

此外，日震学的进步(即借助太阳声波探测太阳内部)已经证实，这种旋转剖面在整个对流区几乎是恒定的。太阳的这一层从大约 200,000 公里的深度延伸到可见的太阳表面，是热等离子体剧烈剧变的所在地，在驱动太阳磁力和活动方面发挥着至关重要的作用。

虽然理论模型长期以来假设太阳两极和赤道之间存在微小的温差以维持太阳的旋转模式，但事实证明它很难测量。毕竟，观测必须“透视”太阳内部深处的背景，其温度高达一百万度。然而，正如马克斯·普朗克太阳系研究所(MPS)的研究人员所表明的那样，现在可以通过对太阳长周期振荡的观测来确定温差。

该工作发表在《科学进展》杂志上。

在对 NASA 太阳动力学观测站的日震和磁成像仪 (HMI) 2017 年至 2021 年期间获得的观测数据进行分析时，科学家们转向了长周期的全球太阳振荡，这些振荡可以被视为太阳表面的漩涡运动。三年前，MPS 的科学家报告了他们对这些惯性振荡的发现。在这些观测到的模式中，速度高达每小时 70 公里的高纬度模式被证明影响尤其大。

为了研究这些高纬度振荡的非线性性质，该团队进行了一组三维数值模拟。在他们的模拟中，高纬度振荡将热量从太阳两极带到赤道，这将太阳两极和赤道之间的温差限制在七度以内。

“两极和赤道之间非常小的温差控制着太阳的角动量平衡，因此是太阳全球动力学的重要反馈机制，”MPS 主任 Laurent Gizon 教授博士说。

在模拟中，研究人员首次在完整的三维模型中描述了关键过程。以前的努力仅限于假设关于太阳旋转轴对称的二维方法。

“将非线性模拟与观测结果相匹配，使我们能够了解长周期振荡的物理原理及其在控制太阳差异自转中的作用，”MPS 博士后、该研究的主要作者 Yuto Bekki 博士说。

太阳高纬度振荡是由温度梯度驱动的，与地球上的温带气旋类似。虽然细节不同，但物理原理相似：“在阳光下，太阳极比赤道热约 7 度，这足以驱动太阳的大部分区域以每小时 70 公里的速度流动。这个过程是有点类似于旋风的驱动，”MPS 科学家罗伯特·卡梅伦博士说。

探索太阳内部深处的物理学是很困难的。这项研究很重要，因为它表明太阳的长周期振荡不仅是太阳内部的有用探针，而且在太阳的工作方式中发挥着积极的作用。未来的工作将旨在更好地了解这些振荡的作用及其诊断潜力。