太阳非局部对流的日震学研究

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1、国密级：中国科学院大学UniversityofChineseAcademyofSciences博士学位论文2013年5月ByChunguangZhangAThesisSubmittedtoTheUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofPhilosophyNationalAstronomicalObservatoriesChineseAcademyofSciencesMay，2013摘要对流是恒星内部两种主

2、要的能量传输方式之一，同时也是最重要的物质混合机制，它对于恒星的结构，演化和振动都有非常重要的作用．但是大多数的恒星模型计算对于对流的处理都很粗糙．现在广泛使用的混合长理论是一种唯象的局部对流理论，无法正确地描述恒星内部的非局部湍流运动．在对流区边界附近，非局部效应变得显著，因此混合长的局部处理会引起很大的问题，这也为日震学的研究所证实．观测到的太阳振动频率和由标准模型计算的频率之间的差别主要是由近表面效应引起的，而太阳和标准模型之间最显著的声速差IIII正位于对流区的下边界附近．为了研究非局部对流对于太阳结构的影响，我(fin用熊大闰院士发展的非局

3、部对流理论构建了太阳包层模型，并用日震学的方法对其进行检验．我们的计算显示，非局部对流模型和标准太阳模型最主要的差别出现在对流区的边界附近．在靠近表面的超绝热区，非局部对流模型中的对流传能效率较低，而温度梯度更大．由于对流的非局部扩散，对流能流和速度起伏都会越过对流区边界，形成对流超射．而且，在太阳表面附近，对流的动力学效应也很明显，湍流压在超绝热区可以达到总压强的12％左右．在对流区下边界，非局部对流模型中存在非常延展的对流超射区，从对流区到辐射区的过渡也非常平滑．温度梯度在对流区下部就已经逐渐变得亚绝热；在对流超射区，温度梯度是亚绝热但是超辐射的

4、，对流能流为负，而辐射能流相应地升高，导致对流超射区的温度比局部对流理论给出的要高．然后我们计算了模型的绝热振动频率，结果显示非局部对流模型可以降低近表面效应的影响，得到的振动频率与观测数据更加符合，而且标准模型中由对流区下边界处的声速差别引起的分散效应也不存在．标准太阳模型中对流区和辐射区的明确分界导致由其计算的振动频率中出现一个周期性的信号．我们分析了观测和模型频率中的周期性信号，发现非局部对流模型中周期性信号的振幅和太阳中的接近，而标准模型中的振幅则明显高出．所以太阳内部对流区和辐射区之间的过渡必定是很光滑的．我们把非局部对流模型作为参考模型，

5、进行了太阳内部声速反演，证明非局部对流模型中的对流超射区结构可以很好地解决标准太阳模型中的局部声速太阳非局部对流的日震学研究过低问题．关键词：对流，超射，太阳内部结构，太阳振动，日震学AbstractConvectionisoneofthetwomostimportantwaysofenergytransportinstars，andalsothedominantmechanismofmixing．Ithasimportanteffectsonstellarstructure，evolutionandoscillation．However，thetr

6、eatmentofconvectioninmoststellarmodelingisstillrathercrude．Thewidely—usedmixing-lengththeoryisalocalphenomenologicalapproachtothenonlocalturbulenceinstars．Itcausesaseriesofproblemsattheboundariesoftheconvectionzone，wherethenonlocaleffectsofconvectionbecomeimportant．Helioseismol

7、ogyhasproventhatthefrequencydifferencesbetweentheSunandthestandardsolarmodelarecausedmainlybythenear-surfaceeffects，whilethewell—knownbumpinthesound-speeddifferenceisjustbelowtheconvectionzone．Inordertoinvestigatethenonlocaleffectsofconvectiononthesolarstruc—ture，wecalculatedan

8、envelopemodeloftheSunusingXiong’Snonlocalcon—vectionth