地球流体核内の小スケール流によって生成されるα効果に関する理論的研究

• Project/Area Number: 13740264
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: 固体地球物理学
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 清水 久芳 東京大学, 地震研究所, 助手 (70302619)
• Project Period (FY): 2001 – 2002
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2002)
• Budget Amount: ¥2,000,000 (Direct Cost: ¥2,000,000); Fiscal Year 2002: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2001: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
• Keywords: 地球ダイナモ / 電磁流体力学 / α効果 / ヘリシティー / 地球流体力学 / 地球流体核 / ダイナモ理論

Research Abstract

本研究の目的は、地球流体核という非常に速く回転している電磁流体内で、数kmの長さスケールをもつ浮力塊(ブロブ)によって生成される流れおよび誘導磁場の構造と、両者による平均起電効果(α効果)を明らかにし、地球流体核へ結果を応用することである。
本研究では、系の回転によるコリオリ力の影響が強く、ローレンツ力が無視できる場合を対象とした。本研究実施以前は、外部磁場が東西方向の場合の小スケールα効果が求められていた。それまでの結果を拡張し、地球流体核に応用可能にするために、本研究では、外部磁場を任意の方向にしたときの流れと誘導磁場を解析的に求めることとした。
求められた流れと誘導磁場の空間構造を、流線と磁力線を3次元的に可視化することにより考察した。特に、ブロブが赤道付近にあり、外部磁場が動径方向(上下方向)の場合、誘導磁場は2ペアの電流系によって生成されるという、新しい構造が発見された。
新たに求められた流れと誘導磁場からα効果を求めた。任意の方向の外部磁場を考慮したことから、α効果テンソルの成分をそれぞれ求めることができた。(1)回転軸方向の起電力を作るα効果は小さいこと、(2)回転軸を法線とする面内でも方向によってα効果の強さは異なること、の2点が明らかになった。これは、α効果が強い非等方性を持つことを意味する。また、ヘリシティーとα効果の関係は、乱流の場合と同様であることもわかった。
次に系に非対称性をもたらす要因として、固体境界がある場合の流れを求めた。粘性の効果を導入することにより、ヘリシティーの全空間積分値は0でないことがわかった。これは、地球流体核の固液境界付近において強いα効果が可能であることを示している。
フロリダ州立大学のD.ローパー、A.シュリアとの共著論文として、以上の成果を国際誌に投稿する予定である。