[논문 리뷰] Kinetic turbulence in space plasmas observed in the near-Earth and near-Sun solar wind

Olga Alexandrova, V. K. Jagarlamudi외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 02.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 51인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 헬리오스 및 클러스터 미션을 통해 0.3, 0.6, 0.9 및 1 AU에서 수신했던 인 situ 측정 자료를 이용하여 태양풍의 운동 에너지 스케일에서의 난류를 조사한다. 이 연구는 이러한 거리 간에 통일된 자기장 변동 스펙트럼을 보이며, 플라즈마의 복잡성에도 불구하고 운동 에너지 스케일에서의 난류가 척도 불변 성질을 나타냄을 입증한다. 또한 비선형적으로 상호작용하는 소용돌이들이 자기 필라멘트를 형성하는 것이 운동 에너지 영역의 핵심 구조임을 규명한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 태양으로부터 다른 반경 거리에서 공간 플라즈마의 운동 에너지 스케일 난류가 통일된 스펙트럼 성질을 보이는지 여부를 규명하는 것.
• 특히 비정규 분포 통계와 응집된 구조를 포함한 운동 에너지 스케일에서의 변동의 성격을 조사하는 것.
• 운동 에너지 스케일에서의 난류 캐스케이드가 중성 유체에서의 콜모고로프 유형 스펙트럼과 유사한 현상학적 법칙을 따르는지 평가하는 것.
• 플라즈마 이방성과 파동-입자 상호작용이 운동 에너지 스케일 난류 스펙트럼을 어떻게 형성하는지 조사하는 것.
• 헬리오스 및 클러스터 미션의 다중 지점 인 situ 측정 자료를 활용하여 이론 모델을 검증하는 것.

제안 방법

• 0.3, 0.6, 0.9 및 1 AU의 반경 거리에서 헬리오스 및 클러스터 우주 미션의 인 situ 자기장 측정 자료를 활용하였다.
• 타일러의 가설을 적용하여 우주선 기준 주파수 스펙트럼을 플라즈마 정지 기준의 波수 스펙트럼으로 변환하였다.
• 파동수 분석과 局소 간헐성 측정법(LIM)을 사용하여 시간-주파수 공간에서 국소적 응집된 구조를 탐지하였다.
• 운동 에너지 스케일의 이론적 예측(이온 및 전자 관성 길이, 라르지 반경 포함)과 관측된 자기 에너지 스펙트럼을 비교하였다.
• 헬리오스 측정 자료에서의 플라즈마 파rameters(밀도, 온도, 자기장, 유속)를 사용하고 질량 유량 보존 및 코로나 관측 자료를 활용해 0.05 AU까지 외삽하였다.
• 스펙트럼 형태를 알려진 플라즈마 척도(λp, λe, ρp, ρe)와 비교하여 난류의 운동 에너지 영역을 식별하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 태양풍에서 운동 에너지 스케일의 자기장 변동 스펙트럼은 다양한 반경 거리에서 통일된가?
• RQ2 운동 에너지 스케일에서 난류 변동의 성격은 무엇인가—특히 응집된 구조에 의해 지배되거나, 무작위 변동에 의해 지배되는가?
• RQ3 비선형 상호작용과 파동 모드(예: 운동 에너지 스케일 알프레드, 위시틀러 파동)가 관측된 스펙트럼 형성에 기여하는 방식은 무엇인가?
• RQ4 플라즈마 이방성과 불안정성은 운동 에너지 영역에서의 스펙트럼 형태와 간헐성에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ5 관측된 스펙트럼은 콜모고로프 유사 캐스케이드 또는 소산 영역 법칙과 같은 현상학적 모델로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 운동 에너지 스케일에서의 자기 에너지 스펙트럼은 0.3, 0.6, 0.9 및 1 AU에서 통일된 스펙트럼 형태를 보이며, 다양한 플라즈마 조건에도 불구하고 동일한 스펙트럼 형태를 유지한다.
• 관성 영역에서의 스펙트럼 지수는 콜모고로프 유사 $ k^{-5/3} $ 스케일링과 일치하여 중성 유체와 유사한 난류 캐스케이드를 나타낸다.
• 이온 관성 길이($ \lambda_p \sim 100 $ km, 1 AU 기준) 근처에서 스펙트럼이 급격히 기울어지며, MHD 근사의 붕괴를 나타낸다.
• 파동수 분석은 국소적이고 간헐적인 구조—스칼로그램에서의 종유형 구조 및 LIM에서의 수직선—를 드러내어 비선형적 응집된 소용돌이의 존재를 시사한다.
• 변동은 주로 자기 필라멘트를 생성하는 비선형 소용돌이에 의해 지배되며, 알프레드 또는 위시틀러 파동과 같은 선형 파동 모드에 의해 지배되지 않는다.
• 0.05 AU(알프레드 점 근처)에서 예측된 스펙트럼은 $ \delta B/B_0 $ 비율이 예상보다 높아 최대 10배까지 과대평가될 수 있으며, 이는 내부 헬리오스피어로의 외삽에 주의가 필요함을 시사한다.