[論文レビュー] Dissipation via Landau Damping in Two- and Three-Dimensional Plasma Turbulence

Tak Chu Li, G. G. Howes+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2015

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、2次元および3次元の非線形ギャロアクティックシミュレーションを通じて、低ベータプラズマにおける乱流エネルギーが、従来のランダウ減衰が存在しないと予想される2次元配置であっても、電子ランダウ減衰によって散逸することを示している。共鳴条件は三角関数補正因子のおかげで有効なままであり、結果として不可逆的な電子加熱が生じるが、2次元におけるエネルギー移動は3次元に比べて著しく遅い。

ABSTRACT

Plasma turbulence is ubiquitous in space and astrophysical plasmas, playing an important role in plasma energization, but the physical mechanisms that lead to dissipation of the turbulent energy remain to be definitively identified. This work addresses the fundamental physics of turbulent dissipation by examining the velocity-space structure that develops as a result of the collisionless interaction between the turbulent electromagnetic fluctuations and the particles in a low beta plasma. Both two- and three-dimensional (2D and 3D) nonlinear gyrokinetic simulations show an electron velocity-space signature qualitatively similar to that of the linear Landau damping of Alfv\'en waves in a 3D linear simulation. This evidence strongly suggests that the turbulent energy is transferred by Landau damping to electrons in low beta plasmas in both 2D and 3D, making possible the ultimate irreversible heating of the plasma. Although, in the 2D case with no variation along the equilibrium magnetic field, it may be expected that Landau damping is not possible, a common trigonometric correction factor appears in both the resonant denominator and the linear wave frequency, leading to an essentially unchanged resonance condition from the 3D case. Nonetheless, though the qualitative evolution of the 2D and 3D cases is similar, quantitatively the nonlinear energy transfer and subsequent dissipation is substantially slower in the 2D case.

研究の動機と目的

• 低ベータ空間および天体プラズマにおける乱流エネルギー散逸の根本的メカニズムを特定すること。
• 磁場勾配が平衡磁場に沿って存在しない2次元プラズマ乱流においても、ランダウ減衰が作用可能かどうかを調査すること。
• 2次元および3次元の乱流系におけるエネルギー移動および散逸の効率とダイナミクスを比較すること。
• 速度空間構造が衝突なしエネルギー移動を促進する役割を特定すること。

提案手法

• 低ベータプラズマ乱流をモデル化するために、2次元および3次元の配置で非線形ギャロアクティックシミュレーションを実施した。
• シミュレーションは、電磁フラクチュエーションの時間発展と、速度空間におけるプラズマ粒子との相互作用を追跡した。
• 線形アルヴェーン波減衰の電子速度空間的特徴と比較するため、3次元線形シミュレーションを基準として用いた。
• 共鳴条件は、共鳴条件の周波数および分母における三角関数補正因子の分析を通じて検討した。
• 2次元および3次元のケースにおけるエネルギー移動率および散逸効率を定量的に比較した。
• 粒子分布関数におけるランダウ減衰の痕跡を特定するために、速度空間構造を検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元配置において、磁場に沿った変化が存在しないにもかかわらず、ランダウ減衰が低ベータプラズマにおける乱流エネルギー散逸の主要メカニズムとして機能できるか？
• RQ2 磁場線に沿った勾配が存在しないにもかかわらず、2次元乱流におけるランダウ減衰の共鳴条件は3次元とどのように異なるか？
• RQ3 2次元および3次元の乱流系における非線形エネルギー移動および散逸の速度に、定量的な差異はあるか？
• RQ4 電子分布関数における速度空間構造は、アルヴェーン波の線形ランダウ減衰のそれとどの程度類似しているか？
• RQ5 三角関数補正因子は、2次元シミュレーションにおける共鳴条件の維持にどのような役割を果たすか？

主な発見

• 2次元および3次元の乱流シミュレーションにおける電子速度空間構造は、3次元における線形アルヴェーン波のランダウ減衰と密接に類似しており、共通の物理的メカニズムを示している。
• 磁場に沿った変化が存在しないにもかかわらず、三角関数補正因子のおかげで共鳴条件が保持されるため、ランダウ減衰は2次元でも有効に機能する。
• 乱流エネルギーは、2次元および3次元の両配置において、ランダウ減衰を通じて不可逆的に電子に移動し、プラズマ加熱を引き起こす。
• 非線形エネルギー移動およびその後の散逸は、2次元シミュレーションにおいて3次元に比べて著しく遅い。
• 2次元および3次元のケースにおける速度空間的特徴の類似性から、両幾何系においてランダウ減衰が主要な散逸メカニズムであることが確認された。
• 本結果は、ランダウ減衰が低ベータ空間および天体プラズマにおける乱流エネルギー散逸の主要経路であるという強力な証拠を提供している。