[論文レビュー] Modeling imbalanced collisionless Alfv\\'en wave turbulence with nonlinear diffusion equations

George Miloshevich, T. Passot+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2019

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 56被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、非平衡な衝突なしアルヴェーン波乱流を研究するために、フーリエ空間における非線形拡散モデルを提案している。高レベルの非平衡状態とイオンランダム減衰が、太陽風観測と整合する急勾配のイオンスケール未満の磁気エネルギースペクトルを生じることを示している。このモデルは、浅い遷移領域の欠如を説明し、観測されたスペクトルが複数の非平衡ストリームの重ね合わせによって生じることを示唆している。

ABSTRACT

A pair of nonlinear diffusion equations in Fourier space} is used to study the dynamics of strong Alfv\\'en-wave turbulence, from MHD to electron scales. Special attention is paid to the regime of imbalance between the energies of counter-propagating waves commonly observed in the solar wind (SW), especially in regions relatively close to the Sun. In the collisionless regime where dispersive effects arise at scales comparable to or larger than those where dissipation becomes effective, the imbalance produced by a given injection rate of generalized cross-helicity (GCH), which is an invariant, is much larger than in the corresponding collisional regime described by the usual (or reduced) magnetohydrodynamics. The combined effect of high imbalance and ion Landau damping induces a steep energy spectrum for the transverse magnetic field at sub-ion scales. This spectrum is consistent with observations in highly Alfvenic regions of the SW, such as trailing edges, but does not take the form of a transition range continued at smaller scales by a shallower spectrum. This suggests that the observed spectra displaying such a transition result from the superposition of contributions originating from various streams with different degrees of imbalance. Furthermore, when imbalanced energy injection is supplemented at small scales in an already fully developed turbulence, for example under the effect of magnetic reconnection, a significant enhancement of the imbalance at all scales is observed.

研究の動機と目的

• 衝突なしアルヴェーン波乱流におけるエネルギー・カスケードがMHDスケールからイオンスケール未満にわたり、波の非平衡状態によってどのように影響を受けるかを理解すること。
• 非平衡状態における横磁気エネルギースペクトルの形状を規定するイオンランダム減衰の役割を調査すること。
• 観測された太陽風スペクトルと標準モデルとの間の不一致、特に浅い遷移領域の欠如を説明すること。
• フルキネティックシミュレーションを用いずに、非平衡乱流の主要な特徴を捉えるための体系的モデルの構築。

提案手法

• 横磁気エネルギーおよび一般化クロスヘリシティ（GCH）スペクトルのフーリエ空間における非線形拡散方程式のペアを用いる。
• 有限ラーミオル半径および電子慣性効果を保持する二場のジェイロ流体フレームワークから、体系的にモデルを導出する。
• 大スケールでエネルギーおよびGCHの注入を伴う強力な乱流にモデルを適用し、イオンスケール未満に注目する。
• 衝突なし状態における主要な散逸メカニズムとして、イオンランダム減衰を組み込む。
• 数値的に系を解き、スペクトルの時間発展および非平衡の伝播を分析する。
• ラーミオル係数と固有モード分解を含むスケーリングを用いて、横磁気エネルギースペクトルを全エネルギースペクトルに関連付ける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 波の非平衡状態は、イオンスケール未満における横磁気エネルギースペクトルの形状にどのように影響を与えるか？
• RQ2 なぜ観測された太陽風スペクトルには浅い遷移領域がなく、これは非平衡状態の影響によって説明可能か？
• RQ3 非平衡乱流におけるイオンランダム減衰は、イオンスケール未満の慣性領域の形状をどのように規定するか？
• RQ4 小スケールでのエネルギー注入は、既に発達した乱流系における全スケールでの非平衡分布にどのように影響を与えるか？
• RQ5 簡略化された非線形拡散モデルは、スケールをまたいで非平衡アルヴェーン波乱流の本質的物理を捉えることができるか？

主な発見

• 衝突なし状態における高レベルの非平衡状態は、衝突的状態よりもイオンスケール未満の磁気エネルギースペクトルを急勾配にし、非常にアルヴェーン的領域の太陽風観測と整合する。
• 高レベルの非平衡状態とイオンランダム減衰の併存効果により、遷移領域に続くやや緩やかなべき乗則を示さないスペクトルが生じ、一部の観測解釈とは矛盾する。
• 局所的散逸とスペクトルピンニングの支配により、非平衡状態は大スケールに伝播しない。これは、エネルギーが長波長に移動しないことを意味する。
• 完全に発達した乱流系に小スケールで非平衡エネルギーを注入すると、全スケールにわたり顕著な非平衡の増幅が生じ、強い局所フィードバックが存在することを示唆する。
• 本モデルは、MHD状態とは著しく異なる分散的非平衡関係を予測しており、波数に指数関数的依存性があり、スペクトルが収束するピンニング波数が存在する。
• 横磁気エネルギースペクトルは、$ E_{B_{\perp}}(k_{\perp}) \approx \frac{1}{2} L_e^{-2} E(k_{\perp}) $ でよく近似される。ここで $ L_e $ は有限ラーミオル半径効果を考慮する。