高纬度太阳子午环流理论

我们建立了一个流体动力学模型，用于计算和理解太阳大尺度高纬度流动，包括科里奥利力、动量湍流扩散和陀螺泵效应。我们计算域——球面“极盖”的侧边界位于纬度$\geq 60^{\circ}$处。通过实施观测到的低纬度流动作为侧边界条件，我们求解了极盖笛卡尔类比模型的流动方程。决定高纬度子午流中是否存在节点的关键参数是$\epsilon=2 \Omega n \pi H^2/\nu$，其中$\Omega$是内部自转速率，$n$是子午流的径向波数，$H$是对流层深度，$\nu$是湍流粘度。$\epsilon$越小（湍流粘度越大），高纬度处的节点数越少。对于极盖内的所有纬度，我们发现当$\nu=10^{12}{\rm cm}^2{\rm s}^{-1}$时有三个节点，当$\nu=10^{13}$时有两个节点，当$\nu=10^{15}$或更高时有一个或没有节点。当$\nu$接近$10^{14}$时，我们的模型表现出“节点合并”：随着子午流速度增加，两个节点相互抵消，最终没有节点。另一方面，对于固定的边界流速，随着$\nu$增加，最靠近极点的节点向极点迁移并消失，最终在$\nu$足够高时没有节点。这些结果表明，主要的向极地表面子午流可以通过节点合并或节点迁移和消失从$60^{\circ}$延伸至极点。