[論文レビュー] Kinetic and fluid turbulent cascades in magnetized weakly collisional astrophysical plasmas

A. A. Schekochihin, S. C. Cowley+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2007

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、磁化され弱い衝突性を示す天体物理学的プラズマにおける乱流エネルギーのスケーリングを記述する運動論的フレームワークを構築し、大スケールの揺らぎから生じるエネルギーが、慣性領域ではアルフェーブ的および圧縮的フラクタルに、散逸領域ではキネティック・アルフェーブ波およびイオンエントロピー揺らぎに分岐する二重のエネルギー伝達経路を示している。主な結果は、これらの伝達経路に対してコルモゴロフ風のスケーリング則が導出されたことであり、小スケールにおける衝突加熱と乱流エネルギー伝達を結びつけた。

ABSTRACT

We present a theoretical framework for plasma turbulence in astrophysical plasmas (solar wind, interstellar medium, galaxy clusters, accretion disks). The key assumptions are that the turbulence is anisotropic with respect to the mean magnetic field and frequencies are low compared to the ion cyclotron frequency. The energy injected at the outer scale scale has to be converted into heat, which ultimately cannot be done without collisions. A KINETIC CASCADE develops that brings the energy to collisional scales both in space and velocity. Its nature depends on the physics of plasma fluctuations. In each of the physically distinct scale ranges, the kinetic problem is systematically reduced to a more tractable set of equations. In the inertial range above the ion gyroscale, the kinetic cascade splits into a cascade of Alfvenic fluctuations, which are governed by the RMHD equations at both the collisional and collisionless scales, and a passive cascade of compressive fluctuations, which obey a linear kinetic equation along the moving field lines associated with the Alfvenic component. In the dissipation range between the ion and electron gyroscales, there are again two cascades: the kinetic-Alfven-wave (KAW) cascade governed by two fluid-like Electron RMHD equations and a passive phase-space cascade of ion entropy fluctuations. The latter cascade brings the energy of the inertial-range fluctuations that was damped by collisionless wave-particle interaction at the ion gyroscale to collisional scales in the phase space and leads to ion heating. The KAW energy is similarly damped at the electron gyroscale and converted into electron heat. Kolmogorov-style scaling relations are derived for these cascades. Astrophysical and space-physical applications are discussed in detail.

研究の動機と目的

• 弱い衝突性を示す天体物理学的プラズマにおける乱流エネルギーが、どのように衝突スケールに伝達され加熱に転換されるかを理解すること。
• 衝突が無視できる小スケールにおいてもエネルギー散逸が生じるというパラドックスを解消するため、慣性スケールと衝突スケールを接続するキネティックな伝達経路を同定すること。
• 低周波数揺らぎを示す異方的で磁化されたプラズマにおける乱流伝達経路のスケーリング則を導出すること。
• 異なるスケールレンジにわたるアルフェーブ的、圧縮的、および位相空間スケールの伝達経路を区別すること。
• キネティックスケールのダイナミクスと、太陽風や銀河団のような系におけるマクロな加熱率を結びつけること。

提案手法

• 平均磁場に対して異方的である条件の下でのプラズマ乱流の理論的モデリング。
• 慣性領域および散逸領域という異なるスケールレンジに分けて、運動論的問題を扱いやすい方程式に簡略化すること。
• 衝突的および衝突なきスケールの両方におけるアルフェーブ的揺らぎを記述するための低次元磁気流体力学（RMHD）方程式の使用。
• アルフェーブ的場の線に沿った圧縮的揺らぎの受動的伝達をモデル化するための線形運動論方程式の適用。
• 散逸領域におけるキネティック・アルフェーブ波を記述する二流体的電子RMHD方程式の導出。
• イオンエントロピー揺らぎの位相空間伝達経路を同定し、エネルギーを衝突スケールに運搬させ、イオン加熱に寄与する波-粒子相互作用を誘発すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 弱い衝突性と磁化されたプラズマにおける乱流エネルギーは、どのように大スケールから小スケールに伝達されるか？
• RQ2 キネティックスケールで衝突が無視できる状況においても、エネルギーがどのように衝突スケールに伝達されるのか？
• RQ3 慣性領域におけるアルフェーブ的揺らぎと圧縮的揺らぎは、エネルギー伝達にどのように異なる寄与をするか？
• RQ4 イオンエントロピー揺らぎの位相空間伝達経路は、イオン加熱にどのように寄与するか？
• RQ5 キネティックスケールの乱流伝達経路におけるエネルギー伝達を支配するスケーリング則は何か？

主な発見

• キネティック伝達経路は、慣性領域ではRMHD方程式に従うアルフェーブ的揺らぎと、場の線に沿った線形運動論方程式に従う圧縮的揺らぎという二つの明確に分離された経路に分岐する。
• 散逸領域では、電子RMHD方程式によって記述されるキネティック・アルフェーブ波が、電子のギロスケールで電子加熱を引き起こす。
• イオンエントロピー揺らぎは、エネルギーを衝突スケールに運搬する受動的位相空間伝達経路を経て、波-粒子相互作用によってイオン加熱が生じる。
• すべての伝達経路に対してコルモゴロフ風のスケーリング則が導出され、エネルギーフラックスとスケール依存のスペクトル指数が結びつけられた。
• このフレームワークにより、外側スケールで注入されたエネルギーが、キネティックスケールにおける衝突なしのプロセスを通じて最終的に熱エネルギーに変換される仕組みが説明された。
• このモデルは、太陽風、星間空間、銀河団、降着円盤といった天体物理学的系に広く適用可能である。