Our Sun exhibits strong convective dynamo action which results in magnetic flux bundles emerging through the stellar surface as magnetic spots. Global-scale dynamo action is believed to generate large-scale magnetic structures in the deep solar interior through the interplay of convection, rotation and shear. Portions of these large-scale magnetic structures are then believed to rise through the convective layer, forming magnetic loops which then pierce the photosphere as sunspot pairs. Previous global simulations of three-dimensional magnetohydrodynamic convection in rotating spherical shells have demonstrated mechanisms whereby large-scale magnetic wreaths can be generated in the bulk of the convection zone. Our recent simulations have achieved sufficiently high levels of turbulence to permit portions of these wreaths to become magnetically buoyant and rise through the simulated convective layer through a combination of magnetic buoyancy and advection by convective giant cells. These buoyant magnetic loops are created in the bulk of the convective layer as strong Lorentz force feedback in the cores of the magnetic wreaths dampen small-scale convective motions, permitting the amplification of local magnetic energies to over 100 times the local kinetic energy. While the magnetic wreaths are largely generated the shearing of axisymmetric poloidal magnetic fields by axisymmetric rotational shear (the Ω-effect), the loops are amplified to their peak field strengths before beginning to rise by non-axisymmetric processes. This further extends and enhances a new paradigm for the generation of emergent magnetic flux bundles, which we term turbulence-enabled magnetic buoyancy.
我々の太陽は強い対流ダイナモ作用を示し、その結果として磁束が恒星表面を貫いて磁点として現れる。大規模なダイナモ作用は、対流、自転、およびシアの相互作用を通じて、太陽内部の深部に大規模な磁気構造を生成すると考えられている。これらの大規模な磁気構造の一部は、対流層を貫いて上昇し、磁気ループを形成し、その後、黒点対として光球を貫くと考えられている。回転する球殻内での三次元磁気流体対流のこれまでの大規模シミュレーションは、対流層の大部分において大規模な磁気リースが生成されうるメカニズムを実証してきた。我々の最近のシミュレーションは、十分に高いレベルの乱流を達成し、その結果、これらのリースの一部が磁気浮力と対流巨細胞による移流の組み合わせを通じて磁気的に浮上し、シミュレーションされた対流層を貫いて上昇することが可能となった。これらの浮上磁気ループは対流層の内部で生成され、磁気リースの中心部における強いローレンツ力のフィードバックが小規模な対流運動を減衰させ、局所的な運動エネルギーに対して100倍を超える磁気エネルギーの増幅を可能にしている。磁気リースは主に、軸対称な回転シア（Ω効果）による軸対称なポロイダル磁場の剪断によって生成される一方、ループは非軸対称な過程によって増幅され、上昇を開始する前にピーク磁場強度に達する。これは、乱流支援型磁気浮力と我々が呼ぶ、出現する磁束管の生成に関する新たなパラダイムをさらに拡張し、強化するものである。