[論文レビュー] Kinetic turbulence in space plasmas observed in the near-Earth and near-Sun solar wind

Olga Alexandrova, V. K. Jagarlamudi+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2020

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 51被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、太陽風におけるキネティックスケール乱流を、ヘリオスおよびクラスターミッションによる局所的測定を用いて0.3、0.6、0.9、1 AUで調査している。これらの距離において普遍的な磁場揺動スペクトルが示され、キネティック乱流がプラズマの複雑さにもかかわらずスケール不変性を示すことを示しており、非線形に相互作用する渦が磁場フィラメントを形成することが、キネティック領域における主要構造であると特定している。

ABSTRACT

Turbulence develops in any stressed flow when the scales of the forcing are much larger than those of the dissipation. In neutral fluids, it consists of chaotic motions in physical space but with a universal energy spectrum in Fourier space. Intermittency (non-Gaussian statistics of fluctuations) is another general property and it is related to the presence of coherent structures. Space plasmas are turbulent as well. Here, we focus on the kinetic plasma scales, which are not yet well understood. We address the following fundamental questions: (1) Do the turbulent fluctuations at kinetic scales form a universal spectrum? and (2) What is the nature of the fluctuations? Using measurements in the solar wind we show that the magnetic spectra of kinetic turbulence at 0.3, 0.6 and 0.9 AU from the Sun have the same shape as the ones close to the Earth orbit at 1 AU, indicating universality of the phenomenon. The fluctuations, which form this spectrum, are typically non-linearly interacting eddies that tend to generate magnetic filaments.

研究の動機と目的

• 太陽からの異なる径方向距離における宇宙プラズマにおけるキネティックスケール乱流が、普遍的なスペクトル的性質を示すかどうかを特定すること。
• 特に非ガウス分布の統計とコherent構造を特徴とするキネティックスケールの揺動の性質を調査すること。
• キネティックスケールでの乱流カスケードが、中性流体におけるコルモゴロフ型スペクトルに類似した記述的法則に従うかどうかを評価すること。
• プラズマの異方性および波-粒子相互作用がキネティック乱流スペクトルの形に与える影響を検討すること。
• ヘリオスおよびクラスターミッションからのマルチポイント局所的測定を用いて、理論的モデルを検証すること。

提案手法

• 0.3、0.6、0.9、1 AUの径方向距離におけるヘリオスおよびクラスターミッションの局所的磁場測定を用いた。
• ターレイラーの仮説を適用して、宇宙船フレームの周波数スペクトルをプラズマ静止フレームにおける波数スペクトルに変換した。
• ウェーブレット解析および局所的不規則性測定法（LIM）を用い、時間周波数空間における局所的コherent構造を検出した。
• 観測された磁場エネルギースペクトルを、イオンおよび電子の慣性長およびラーモア半径を含むキネティックスケールの理論的予測と比較した。
• ヘリオス測定からのプラズマパラメータ（密度、温度、磁場、流れ速度）を用い、質量フラックス保存およびコロナ観測を用いて0.05 AUにまで外挿した。
• スペクトル形状を既知のプラズマスケール（λp、λe、ρp、ρe）と照合することで、キネティック乱流の範囲を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽風におけるキネティックスケールの磁場揺動スペクトルは、異なる径方向距離で普遍的か？
• RQ2 キネティックスケールの乱流揺動の性質は何か—特に、コherent構造かランダムな揺動が支配的か？
• RQ3 非線形相互作用および波モード（例：キネティックアルフェーブ波、ホイストラ波）は、観測されたスペクトルの形成にどのように寄与するか？
• RQ4 プラズマの異方性および不安定性は、キネティック領域におけるスペクトル形状および不規則性にどの程度影響を与えるか？
• RQ5 観測されたスペクトルは、コルモゴロフ型カスケードや散逸領域の法則のような記述的モデルで説明可能か？

主な発見

• 0.3、0.6、0.9、1 AUのキネティックスケールにおける磁場エネルギースペクトルは、異なるプラズマ条件にもかかわらず、同じスペクトル形状を示し、普遍的である。
• 慣性領域におけるスペクトル指数は、コルモゴロフ型の $ k^{-5/3} $ スケーリングと整合的であり、中性流体に類似した乱流カスケードを示している。
• イオン慣性長（1 AUにおける $ \lambda_p \sim 100 $ km）に近いスケールではスペクトルが急峻になり、磁気流体力学（MHD）近似の破綻を示している。
• ウェーブレット解析により、局所的かつ不規則な構造—スコログラムにおける垂れ下がりの特徴およびLIMにおける縦線—が検出され、非線形でコherentな渦の存在が示された。
• 揺動は主に非線形渦であり、それらはアルフェーブ波やホイストラ波などの線形波モードよりも、磁場フィラメントの生成を促進する傾向にある。
• 0.05 AU（アルフェーブ点付近）における予測スペクトルは、予想より高い $ \delta B/B_0 $ 比率のため、最大10倍まで過大評価される可能性があり、内太陽系への外挿には注意が必要であると示唆している。