[论文解读] An SOC-like avalanche distribution observed in an MHD turbulent cascade in the solar wind

M. P. Freeman, N. W. Watkins+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2000

Complex Systems and Time Series Analysis被引用 1

一句话总结

本研究首次利用WIND探测器数据，在日地1 AU处的太阳风这一自然湍流系统中观测到类似自组织临界性（SOC）的幂律分布爆发能量与持续时间。其结果揭示了一种不同于指数衰减的幂律间隔分布，暗示了空间等离子体中自组织临界性与MHD湍流之间存在关联。

ABSTRACT

We calculate for the first time the probability density functions (PDFs) P of burst energy e, duration T and inter-burst interval τ for a known turbulent system in nature. Bursts in the earth-sun component of the Poynting flux at 1 AU in the solar wind were measured using the MFI and SWE experiments on the NASA WIND spacecraft. We find P(e) and P(T) to be power laws, consistent with self-organised criticality (SOC). We find also a power law form for P(τ) that distinguishes this turbulent cascade from an SOC avalanche distribution with exponential τ. We discuss the implications for the relation between SOC and turbulence. Typeset using REVTEX 1 In their seminal papers [1,2], Bak et al. (BTW) asserted that a discrete cellular automaton (“sandpile model ” [3]) had a temporal and spatial response to perturbation that was characterised by long time correlations and scale-invariant (fractal) spatial structure. The latter was manifested by a scale-free distribution of energy release events (avalanches) and

研究动机与目标

• 通过爆发事件的统计分析，研究自然湍流系统是否表现出自组织临界性（SOC）。
• 确定太阳风中爆发能量、持续时间及爆发间隔的概率密度函数（PDF）是否符合SOC特征的幂律分布。
• 将观测到的爆发间隔分布与标准SOC模型所预测的指数衰减形式进行比较。
• 探讨这些发现对空间等离子体中SOC与MHD湍流关系的启示。

提出的方法

• 利用NASA WIND探测器上MFI和SWE仪器的数据，分析1 AU处地球-太阳方向的波印廷通量涨落。
• 基于阈值穿越标准，在波印廷通量时间序列中识别爆发事件。
• 计算爆发能量（e）、持续时间（T）及爆发间隔（τ）的概率密度函数（PDF）。
• 将e、T和τ的PDF分别拟合幂律形式与指数形式，以评估SOC特征。
• 将观测到的爆发间隔分布与标准SOC模型所预期的指数形式进行比较。
• 采用统计方法检验所测分布中的标度不变性与幂律行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 太阳风波印廷通量中的爆发事件是否表现出SOC所预测的幂律分布能量与持续时间？
• RQ2 太阳风中的爆发间隔分布是否与标准SOC模型所预期的指数衰减一致，还是遵循幂律分布？
• RQ3 观测到的爆发间隔分布对SOC与空间等离子体中MHD湍流之间关系有何启示？
• RQ4 自然湍流系统（如太阳风）是否可能在不依赖离散沙堆型自动机规则的情况下表现出SOC类统计特性？

主要发现

• 爆发能量概率密度函数P(e)遵循幂律，表明能量释放具有标度不变性，与自组织临界性一致。
• 爆发持续时间概率密度函数P(T)同样遵循幂律，支持系统中存在SOC动力学。
• 爆发间隔分布P(τ)被发现遵循幂律，与经典SOC模型所预测的指数τ分布形成鲜明对比。
• 观测到的P(τ)幂律形式表明，太阳风中的湍流级联可能表现出具有长程时间相关性的SOC类行为。
• 结果暗示自组织临界性与空间等离子体中MHD湍流之间存在比传统SOC模型所捕捉的更为深刻的关联。
• 研究结果为自然湍流系统可在无需离散格点自动机规则的情况下表现出SOC类统计特性提供了实证依据。