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http://hdl.handle.net/1843/80985
Type: | Tese |
Title: | Estudos numéricos da viabilidade do dínamo de Tayler-Spruit em interiores estelares: o papel da rotação na instabilidade de Tayler |
Authors: | Guilherme Augusto Dias Monteiro |
First Advisor: | Gustavo Andres Guerrero Eraso |
First Referee: | Sílvia Helena Paixão Alencar |
Second Referee: | Wagner José Corradi Barbosa |
Third Referee: | Adriano Hoth Cerqueira |
metadata.dc.contributor.referee4: | Erico Luiz Rempel |
metadata.dc.contributor.referee5: | Fabio Del Sordo |
Abstract: | A teoria do dínamo de campo médio tem sido amplamente empregada, ao longo de décadas, no estudo da origem e manutenção de campos magnéticos estelares. De acordo com essa teoria, o dínamo é sustentado por meio do cisalhamento entre camadas, relacionado ao efeito-Ω, e por movimentos helicoidais induzidos pela turbulência, associados ao efeito-α. Contudo, a aplicabilidade da teoria do dínamo de campo médio em estrelas com envelopes radiativos, como as estrelas Ap/Bp, ou em regiões estáveis à convecção, como o interior de estrelas do tipo solar, é limitada. Nesse cenário, surgem alternativas teóricas, como o dínamo de Tayler-Spruit. Nessa abordagem, o efeito-α em zonas estáveis à convecção seria desempenhado por instabilidades magneto-hidrodinâmicas, tais como a instabilidade de Tayler, onde a energia é transferida entre diferentes componentes do campo magnético. Na primeira parte deste trabalho, investigamos a evolução de um campo magnético puramente toroidal e anti-simétrico em relação ao equador, confinado em uma zona estável à convecção e, portanto, suscetível à instabilidade de Tayler. Utilizamos o código EULAG- MHD para realizar simulações tridimensionais e não lineares de uma camada esférica cuja estratificação se assemelha à da região estável à convecção localizada entre as zonas radiativa e convectiva do Sol. Nosso foco principal foi examinar como a evolução desse campo magnético é influenciada, a curto e longo prazo, pela rotação do modelo. Os resultados indicam que a rotação tem a capacidade de estabilizar o campo magnético, retardando o crescimento da instabilidade. No entanto, em todos os modelos estudados, os campos magnéticos tornam-se eventualmente instáveis, perdendo sua topologia original e posteriormente decaindo devido à difusão turbulenta. Durante esse processo, observamos o surgimento de componentes significativas de campo poloidal, bem como de helicida- des, tanto cinética quanto de corrente. Esses resultados corroboram a viabilidade da instabilidade de Tayler em desempenhar o papel do efeito-α no dínamo de Tayler-Spruit. Na segunda parte deste trabalho realizamos o acoplamento entre os códigos EULAG-MHD e Pencil Code. Esse acoplamento nos permitiu aplicar o método de campos de teste (TFM), implementado no código Pencil, para calcular os coeficientes do dínamo em uma simulação teste realizada com o código EULAG-MHD. O desenvolvimento do código que permite o acoplamento foi concluído satisfatoriamente, e os resultados obtidos foram consistentes com estudos anteriores que utilizaram modelos semelhantes. Essa ferramenta abre a possibilidade de explorar, com maior profundidade, os mecanismos físicos que participam em processos instáveis, incluindo o mecanismo dínamo, em simulações de diferentes tipos realizadas com EULAG-MHD. |
Abstract: | The mean-field dynamo theory has been employed for decades in the study of the origin and maintenance of stellar magnetic fields. According to this theory, the dynamo is sustained through the shear between layers, related to the Ω-effect, and by helical motions induced by turbulence, associated with the α-effect. However, the applicability of the mean-field dynamo theory to stars with radiative envelopes, such as Ap/Bp stars, or to convectively stable regions, like the interior of solar-type stars, is limited. In this context, alternative theories such as the Tayler-Spruit dynamo emerge. In this approach, the α-effect in convectively stable zones would be driven by magnetohydrodynamic instabilities, such as the Tayler instability, where energy is transferred between different components of the magnetic field. In the first part of this work, we investigate the evolution of a purely toroidal magnetic field that is anti-symmetric with respect to the equator, confined in a convectively stable zone and, therefore, prone to Tayler instability. We used the EULAG-MHD code to perform non-linear three-dimensional simulations of a spherical layer whose stratification resembles that of the stable region located between the radiative and convective zones of the Sun. Our main focus was to examine how the evolution of this magnetic field is influenced, both in the short and long term, by the rotation rate of the model. The results indicate that rotation has the capacity to stabilize the magnetic field, delaying the growth of the instability. However, in all the models studied, the magnetic fields eventually become unstable, losing their original topology and later decaying due to turbulent diffusion. During this process, we observed the emergence of significant poloidal field components, as well as helicities, both kinetic and current. These results support the viability of Tayler instability in playing the role of the α-effect in the Tayler-Spruit dynamo. In the second part of this work, we coupled the EULAG-MHD and Pencil Code. This coupling allowed us to apply the test-field method (TFM), implemented in the Pencil Code, to calculate the dynamo coefficients in a test simulation performed with the EULAG-MHD code. The development of the code that enables this coupling was completed successfully , and the results obtained were consistent with previous studies using similar models. This tool opens up the possibility of exploring, in greater depth, the physical mechanisms involved in unstable processes, including the dynamo mechanism, in various simulations conducted with EULAG-MHD. |
Subject: | Campo magnético Estrelas Simulação |
language: | por |
metadata.dc.publisher.country: | Brasil |
Publisher: | Universidade Federal de Minas Gerais |
Publisher Initials: | UFMG |
metadata.dc.publisher.department: | ICX - DEPARTAMENTO DE FÍSICA |
metadata.dc.publisher.program: | Programa de Pós-Graduação em Física |
Rights: | Acesso Aberto |
metadata.dc.rights.uri: | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/pt/ |
URI: | http://hdl.handle.net/1843/80985 |
Issue Date: | 14-Nov-2024 |
Appears in Collections: | Teses de Doutorado |
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