[論文レビュー] Fluid theory of coherent magnetic vortices in high-beta space plasmas

D. Jovanović, Olga Alexandrova+2 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2017

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、高β空間プラズマにおける圧縮性磁気渦の流体理論を展開し、熱的非等方性および音響効果を組み込む。流体スケールでは、非伝搬性の場方向モノポールと傾斜した伝搬性双極子が同定され、イオンスケールでは密度および圧縮性磁場フラクチュエーションを伴う双極子型アルベール渦が現れ、ここでδn/n₀はδB∥/B₀と同等の大きさに達する。

ABSTRACT

In-situ observations in the Earth's and Saturn's magnetosheaths and in the solar wind reveal the presence of Alfvén vortices as intermittent structures in the range of scales from fluid lengths down to few ion lengths. The density and the magnetic field associated with them appear to be compressible for higher plasma betas. Until now, only incompressible Alfvén vortices have been known. Motivated by space plasma observations we develop a new model of magnetic vortices in high-beta plasmas with anisotropic temperature, possessing compressible density and magnetic field, whose typical size ranges from fluid to ion scales. At magneto-fluid scales we find novel non-propagating field-aligned cylindrical monopoles and inclined propagating dipoles. Their transverse magnetic and velocity fluctuations are aligned, but not identical, {and they exhibit density and compressible magnetic field fluctuations $δn$ and $δB_\Vert$ localized inside the vortex core. In the presence of thermal anisotropy and acoustic effects, they may be correlated or anti-correlated $δn/δB_\Vert={ m constant}\gtrless 0$; fluctuations whose velocity along the magnetic field is below the ion thermal speed are always correlated.} At ion or kinetic scales (with the smallest radii $\sim c/ω_{pi}, ρ_{L i}$) {and in the absence of acoustic perturbations}, only dipolar Alfvén vortices survive with similar properties as those at fluid scales, except for their $δn/n_0$ that reaches the level of $δB_\Vert/B_0$. At kinetic scales we find also pressure balanced dipolar structures, possessing finite parallel electric field $E_\Vert$ and purely compressional magnetic field perturbation.

研究の動機と目的

• 圧縮性密度および磁場フラクチュエーションを含む、高β空間プラズマにおけるコherent磁気渦の流体モデルの構築。
• 従来の理論が非圧縮性アルベール渦にしか対応しないというギャップを埋め、特に圧縮性構造のイン・サイト観測を踏まえて考察。
• 熱的非等方性および音響効果が、渦の形状およびフラクチュエーション相関に与える影響の解明。
• 流体スケールおよびイオンスケールでモノポールおよび双極子渦解が出現する条件の特定。
• 有限のE∥および完全に圧縮性のB擾乱を有する圧力平衡型キネティック・スローマグネトソニック双極子の存在と性質の探求。

提案手法

• 異方的温度を有する高βプラズマの流体モデルを構築し、並進および垂直方向の速度、密度、磁場擾乱を組み込む。
• 磁場方向に沿った渦を記述するため、円筒座標系を用い、磁場方向を軸として対称性を仮定する。
• 小ラーマー半径近似を適用し、ベッセル関数の展開を用いてギャロア平均動的を扱い、k_y²v_T⊥²/Ω²の1次までの項を保持する。
• ドリフトスケーリングおよび弱い並進依存性の仮定に基づき、δn、δB∥、δB⊥の分散関係および擾乱方程式を導出する。
• ベッセル関数の恒等式および選択則を用いて、速度空間にわたる積分により分布関数擾乱δfを求める。
• 修正ベッセル関数J_l²およびその導関数を含む重要な積分を評価し、密度および圧力擾乱を計算する。γ⊥およびγ∥は特定の条件下で定数とみなされる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 圧縮性および熱的非等方性を含めた高βプラズマにおいて、どのようなコherent磁気渦が存在可能か？
• RQ2 プラズマパラメータ（イオン熱速度および伝搬速度）に依存する密度と並進磁場フラクチュエーション（δn/δB∥）の相関関係はどのように変化するか？
• RQ3 非伝搬性モノポールおよび伝搬性双極子が流体領域に出現する条件は何か？
• RQ4 特に音響擾乱が存在しない場合、イオンスケールにおける渦構造はどのように進化するか？
• RQ5 有限のE∥および完全に圧縮性のδB∥を有する圧力平衡型キネティック・スローマグネトソニック双極子が存在する条件は何か？

主な発見

• 磁気流体スケールでは、非伝搬性の場方向円筒モノポールおよび傾斜した伝搬性双極子が出現し、横方向磁場および速度擾乱は一致するが同一ではない。
• 密度および圧縮性磁場擾乱δnおよびδB∥は、渦コア内に局在化しており、δn/δB∥ = 定数 ≳ 0 または ≲ 0 となる。これは熱的および音響的条件に依存する。
• B方向の速度擾乱がイオン熱速度未満の場合、δnおよびδB∥は常に相関しており、低速度領域における安定な結合を示す。
• イオンスケール（半径 ∼ c/ω_pi, ρ_Li）では、唯一の双極子型アルベール渦が生存し、δn/n₀はδB∥/B₀と同等の大きさに達しており、強い圧縮性を示す。
• 強いイオン温度非等方性下で、有限のE∥および完全に圧縮性のδB∥を有する圧力平衡型キネティック・スローマグネトソニック双極子が存在し、音響的分離によって促進される。
• 断熱および等温近似では、それぞれγ∥ = 3およびγ∥ = 1が得られ、γ⊥ ≈ 2は大βのせん断アルベールおよびキネティック・スローモード解において成立し、小スケールでの特定の熱力学的挙動を示す。