Kombinierte dynamische und morphologische Charakterisierung von Geodynamo-Simulationen

• Es wird ein direkter Zusammenhang zwischen dem geomagnetischen Feld und dem physikalischen Prozess des Geodynamos angestrebt. • Das QG-MAC Dynamo-Regime könnte relevant sein, um das gegenwärtige geomagnetische Feld zu erklären. • Die Polaritätsumkehrungen werden ebenfalls im QG-MAC Dynamo-Regime bei hohen Rm-Werten beobachtet. Numerische Dynamo-Simulationen können unter den physikalischen Bedingungen des Erdkerns nicht operieren, doch produzieren sie oft Felder, die morphologisch dem gegenwärtigen geomagnetischen Feld ähnlich sind. Eine zentrale Frage ist daher, unter welchen Bedingungen „erdenähnliche“ Simulationen erreicht werden können. Neuere Arbeiten haben gezeigt, dass eine Reihe von Simulationen, die entlang eines spezifischen Pfades im Parameterraum durchgeführt wurden, sich sanft den QG-MAC Dynamiken nähern, die im Erdkern erwartet werden, wobei das Gleichgewicht der führenden Ordnung quasi-geostrophisch ist mit magnetischen, archimedischen und Corioliskräften, die sich im ersten Ordnung ausgleichen. Es muss jedoch noch ein systematischer Zusammenhang zwischen dem QG-MAC Gleichgewicht und den morphologischen Merkmalen der simulierten Felder hergestellt werden. Hier beurteilen wir eine Reihe von 67 Simulationen unter Verwendung etablierter Compliance-Kriterien für die Felder morphologie und skalierungsabhängige Kraftgleichgewichte, um die internen Dynamiken zu quantifizieren. Morphologische Übereinstimmung mit dem modernen geomagnetischen Feld impliziert kein einzelnes zugrunde liegendes Kraftgleichgewicht oder umgekehrt; die Mehrheit der konformen Simulationen, einschließlich aller, die sich einem realistischen Wert der magnetischen Reynolds-Zahl Rm nähern, befinden sich jedoch im QG-MAC Gleichgewicht. Simulationen, die gleichzeitig ausgezeichnete morphologische Übereinstimmung mit dem modernen Feld der Erde, QG-MAC Gleichgewicht und hohe Rm erreichen, sind auf einen intermediären Bereich der Dipolarität beschränkt (das Verhältnis der Energie im Dipolfeld zur Energie, die bei Grad 12 an der äußeren Grenze trunciert wird). Umkehrende Simulationen in diesem Dipolaritätsbereich halten während des Polaritätsübergangs ein dominantes QG-MAC Gleichgewicht auf, obwohl die Trägheit einen nicht unerheblichen Beitrag zum Kraftgleichgewicht leistet.