[논문 리뷰] Fluid theory of coherent magnetic vortices in high-beta space plasmas

D. Jovanović, Olga Alexandrova외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 08.

Solar and Space Plasma Dynamics인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 고-β 우주 플라즈마에서 압축성 자기 회전류에 대한 유체 이론을 개발하며, 열 이방성 및 음향 효과를 포함한다. 이론은 유체 척도에서 비진동성의 필드-정렬된 단극자와 기울인 진동하는 이량자를 밝혀내며, 이온 척도에서 밀도 및 압축성 자기장 변동을 수반한 이량자 알베드 회전류를 규명한다. 여기서 δn/n₀는 δB∥/B₀와 유사한 수준에 이르게 된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 압축성 밀도 및 자기장 변동을 포함한 고-β 우주 플라즈마에서의 응집된 자기 회전류에 대한 유체 모델을 개발한다.
• 기존 이론이 압축성 불가침 알베드 회전류만 기술하는 데에 그치는 점을 감안해, 압축성 구조에 대한 현장 관측 결과를 보완하고자 한다.
• 열 이방성 및 음향 효과가 회전류 형태와 변동 상관관계에 미치는 영향을 조사한다.
• 유체 척도 및 이온 척도에서 단극자 및 이량자 회전류 해가 나타나는 조건을 규명한다.
• 유한한 E∥와 순수하게 복합성인 B 변동을 가지는 압력 균형의 운동적 느린 자기소속 이량자 존재 여부 및 특성 탐색

제안 방법

• 이방성 온도를 고려한 고-β 플라즈마에 대한 유체 모델을 수립하며, 병렬 및 수직 속도, 밀도, 자기장 변동을 포함한다.
• 자기장 방향에 따라 정렬된 회전류를 기술하기 위해 원통좌표계를 사용하며, 자기장 방향을 중심으로 대칭성을 가정한다.
• 작은 라미어 반경 근사법을 적용하고 베셀 함수 전개를 통해 기하 평균 동역학을 처리하며, k_y²v_T⊥²/Ω² 항을 제1차까지 유지한다.
• 드리프트 스케일링 및 약한 병렬 의존성 가정을 통해 δn, δB∥, δB⊥의 분산 관계 및 변동 방정식을 유도한다.
• 기하 평균화 및 속도 공간 적분을 통해 분포 함수 변동 δf를 구하며, 베셀 함수 항등식과 선택 규칙을 활용한다.
• 밀도 및 압력 변동을 계산하기 위해 수정 베셀 함수 J_l² 및 그 도함수를 포함하는 주요 적분을 평가하며, 특정 조건 하에서 γ⊥ 및 γ∥를 상수로 근사한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 압축성 및 열 이방성이 포함된 고-β 플라즈마에서 어떤 종류의 응집된 자기 회전류가 존재할 수 있는가?
• RQ2 플라즈마 매개변수(예: 이온 열 속도 및 전파 속도)에 따라 밀도 및 병렬 자기장 변동 간 상관관계(δn/δB∥)는 어떻게 달라지는가?
• RQ3 비진동성 단극자 및 진동성 이량자가 유체 영역에서 나타나는 조건은 무엇인가?
• RQ4 특히 음향 변동이 없는 조건에서 이온 척도에서 회전류 구조는 어떻게 진화하는가?
• RQ5 유한한 E∥와 순수하게 복합성인 δB∥를 가지는 압력 균형의 운동적 느린 자기소속 이량자가 존재하는 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 비진동성 필드-정렬 원통형 단극자 및 기울인 진동성 이량자가 자기유체 척도에서 나타나며, 횡방향 자기장 및 속도 변동은 정렬되어 있지만 동일하지 않다.
• 밀도 및 압축성 자기장 변동 δn 및 δB∥는 회전류 핵부에 국한되며, 열 및 음향 조건에 따라 δn/δB∥ = 일정 ≳ 0 또는 ≲ 0로 나타난다.
• B에 따른 속도 변동이 이온 열 속도 이하일 경우, δn 및 δB∥는 항상 상관관계를 가지며, 저속 영역에서 안정된 결합을 나타낸다.
• 이온 척도(반지름 ∼ c/ω_pi, ρ_Li)에서 유일하게 살아남는 것은 이량자 알베드 회전류이며, δn/n₀가 δB∥/B₀와 동일한 수준에 도달함으로써 강한 압축성을 나타낸다.
• 강한 이온 온도 이방성 조건에서 압력 균형의 운동적 느린 자기소속 이량자가 존재하며, 이는 유한한 E∥와 순수하게 복합성인 δB∥를 나타내며, 음향 분리에 의해 촉진된다.
• 단열 및 등온 근사에서 각각 γ∥ = 3 및 γ∥ = 1을 얻으며, 큰 β의 비틀림 알베드 및 운동적 느린 모드 해에서 γ⊥ ≈ 2로 나타나 소규모 척도에서 특정 열역학적 거동을 나타낸다.