[论文解读] Fluid theory of coherent magnetic vortices in high-beta space plasmas

D. Jovanović, Olga Alexandrova+2 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2017

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 3

一句话总结

本文为高β空间等离子体中的可压缩磁涡旋建立了流体理论，引入了热各向异性和声学效应。该理论识别出流体尺度下的非传播场向单极子和倾斜传播的偶极子，以及离子尺度下具有密度和可压缩磁扰动的偶极子阿尔芬涡旋，此时δn/n₀与δB∥/B₀相当。

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.

研究动机与目标

• 为高β空间等离子体中的相干磁涡旋建立流体模型，包括密度和磁扰动的可压缩性。
• 填补现有理论仅描述不可压缩阿尔芬涡旋的空白，特别是考虑到原位观测中可压缩结构的存在。
• 研究热各向异性和声学效应对涡旋形态及涨落相关性的影响。
• 确定流体尺度和离子尺度下单极子与偶极子涡旋解出现的条件。
• 探讨具有有限E∥和纯压缩性B扰动的压强平衡动能慢磁声偶极子的存在性与特性。

提出的方法

• 为具有各向异性温度的高β等离子体构建流体模型，包含平行与垂直速度、密度和磁扰动的扰动。
• 采用柱坐标系描述场向涡旋，假设沿磁场方向具有对称性。
• 应用小拉莫半径近似，并通过贝塞尔函数展开处理平均化动力学，保留k_y²v_T⊥²/Ω²的一阶项。
• 在漂移标度和弱平行依赖性假设下，推导出δn、δB∥和δB⊥的色散关系与扰动方程。
• 通过速度空间上的平均化与积分求解分布函数扰动δf，利用贝塞尔函数恒等式与选择规则。
• 计算涉及修正贝塞尔函数J_l²及其导数的关键积分，以确定密度与压强扰动，其中在特定条件下将γ⊥与γ∥近似为常数。

实验结果

研究问题

• RQ1 当包含可压缩性与热各向异性时，高β等离子体中可存在哪些类型的相干磁涡旋？
• RQ2 密度与平行磁扰动涨落（δn/δB∥）的相关性如何依赖于离子热速度与传播速度等离子体参数？
• RQ3 在流体区内，非传播单极子与传播偶极子在何种条件下出现？
• RQ4 涡旋结构在离子尺度下如何演化，特别是在无声扰动的情况下？
• RQ5 在何种条件下，存在具有有限E∥与纯压缩性δB∥的压强平衡动能慢磁声偶极子？

主要发现

• 在磁流体尺度下，出现非传播的场向圆柱形单极子与倾斜传播的偶极子，横向磁扰动与速度扰动对齐但不完全相同。
• 密度与可压缩磁扰动δn和δB∥局域于涡旋核心，δn/δB∥ = 常数 ≳ 0 或 ≲ 0，取决于热与声学条件。
• 当沿B方向的速度扰动低于离子热速度时，δn与δB∥始终相关，表明在低速区域存在稳定耦合。
• 在离子尺度（半径 ∼ c/ω_pi, ρ_Li），仅偶极子阿尔芬涡旋能够存活，此时δn/n₀与δB∥/B₀达到同一量级，表明强可压缩性。
• 在强离子温度各向异性条件下，存在压强平衡的动能慢磁声偶极子，表现出有限E∥与纯压缩性δB∥，其形成得益于声学解耦。
• 绝热与等温近似分别给出γ∥ = 3 与 γ∥ = 1，而对大β剪切阿尔芬与动能慢模态解，有γ⊥ ≈ 2，表明在小尺度下具有特定的热力学行为。