[論文レビュー] Initiation of Alfv\'enic turbulence by Alfven wave collisions: A numerical study

S. V. Shestov, Y. Voitenko+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2022

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 41被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、3次元圧縮性MHDシミュレーションを用いて、逆向きに伝播するアルベール波が衝突することで乱流が生成され、短波長で異なる偏光を持つ揺動が生じ、直接的なエネルギー級連が引き起こされることを示した。古典的臨界バランスの予測とは異なり、スペクトル的エネルギー移動は大きなスケールでは抑制されるが、はるかに小さい垂直スケールで再び顕在化する。これは、コロナループが効果的な乱流加熱を可能にするために、その幅よりも10倍以上細い部分構造を必要とすることを示唆している。

ABSTRACT

In the framework of compressional magnetohydrodynamics (MHD), we numerically studied the commonly accepted presumption that the Alfv\'enic turbulence is generated by the collisions between counter-propagating Alfv\'en waves (AWs). In the conditions typical for the low-beta solar corona and inner solar wind, we launched two counter-propagating AWs in the three-dimensional simulation box and analyzed polarization and spectral properties of perturbations generated before and after AW collisions. The observed post-collisional perturbations have different polarizations and smaller cross-field scales than the original waves, which supports theoretical scenarios with direct turbulent cascades. However, contrary to theoretical expectations, the spectral transport is strongly suppressed at the scales satisfying the classic critical balance of incompressional MHD. Instead, a modified critical balance can be established by colliding AWs with significantly shorter perpendicular scales. We discuss consequences of these effects for the turbulence dynamics and turbulent heating of compressional plasmas. In particular, solar coronal loops can be heated by the strong turbulent cascade if the characteristic widths of the loop substructures are more than ten times smaller than the loop width. The revealed new properties of AW collisions have to be incorporated in the theoretical models of AW turbulence and related applications.

研究の動機と目的

• 圧縮性MHDにおける逆向きに伝播するアルベール波の衝突によって引き起こされるアルベール乱流の生成メカニズムを調査すること。
• 衝突後の偏光およびスペクトル的性質の変化、特に誘導された波動の振幅のスケール依存性を検討すること。
• 圧縮性プラズマ乱流における古典的臨界バランス条件の妥当性を評価し、その修正を検討すること。
• シミュレーションで観測された新しいスペクトル的輸送行動に基づいて、コロナループにおける乱流加熱の可能性を再評価すること。
• コロナループにおける効率的なエネルギー級連とプラズマ加熱を実現するための最小部分構造スケールを特定すること。

提案手法

• MPI-AMRVACコードを用いた3次元圧縮性抵抗性MHDシミュレーション。Euler形式の有限体積法を採用。
• 初期条件として、直交する偏光と異なる垂直波数を持つ2つの逆向きのアルベール波を励起。
• 波の衝突前後における偏光、スペクトル分布、スケールの進化を追跡するために摂動を分析。
• 非線形時定数と波の通過時間の比較により、臨界バランス条件を検証。
• 古典的臨界バランススケールにおけるスペクトル的エネルギー移動の抑制を観測したもとで、修正された臨界バランス条件を導出。
• 観測された非熱的速度とプラズマパラメータに基づくエネルギーフラックス推定値を用いて、乱流加熱の効率を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 圧縮性MHDにおけるアルベール波の衝突後、摂動の偏光およびスペクトル的特性はどのように変化するか？
• RQ2 アルベール波衝突におけるスペクトル的エネルギー移動に、古典的臨界バランス条件はどの程度妥当か？
• RQ3 古典的臨界バランススケールで抑制された後に、強い乱流が再び回復するスケール依存性は何か？
• RQ4 コロナループの部分構造幅が、乱流エネルギー級連およびプラズマ加熱の効率にどのように影響するか？
• RQ5 修正された臨界バランスを伴うアルベール波衝突駆動乱流によって、コロナループで観測された非熱的速度を説明できるか？

主な発見

• 衝突後の摂動は、元のアルベール波と比較して横方向スケールが小さくなり、偏光が変化しており、直接的な乱流級連メカニズムを支持する。
• アルベール波相互作用には2つの異なる領域が特定された：1つは強い乱流に一致するもので、もう1つは大きなスケールで異なる、より非効率なメカニズムに支配されるもの。
• 非圧縮性MHDの古典的臨界バランス条件を満たすスケールでは、スペクトル的エネルギー移動が強く抑制され、これらのスケールでは弱い乱流であることが示された。
• 強い乱流と効率的なエネルギー級連が回復する、はるかに小さい垂直スケールで、修正された臨界バランス条件が確立された。
• コロナループにおける乱流加熱は、部分構造の特徴的幅がループ幅の10倍以上小さい場合にのみ効果的に機能する。
• 部分構造幅がループ幅の0.1倍以下の場合、エネルギーフラックスの推定値は約3 × 10⁻³ erg cm⁻³ s⁻¹に達し、典型的なコロナループの加熱に十分である。