[论文解读] Astrophysical turbulence

Axel Brandenburg, Aake Nordlund|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2009

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 2

一句话总结

本文综述了湍流在天体物理环境中的作用，强调由发电机效应产生的磁场如何改变星际介质和具有对流区的恒星中的输运过程。研究证明，通过粗粒化平均场可揭示原始场描述中所不具备的各向异性效应和涌现现象，从根本上改变了质量、动量、能量和磁场的输运。

ABSTRACT

The role of turbulence in various astrophysical settings is reviewed. Among the differences to laboratory and atmospheric turbulence we highlight the ubiquitous presence of magnetic fields that are generally produced and maintained by dynamo action. The extreme temperature and density contrasts and stratifications are emphasized in connection with turbulence in the interstellar medium and in stars with outer convection zones, respectively. In many cases turbulence plays an essential role in facilitating enhanced transport of mass, momentum, energy, and magnetic fields in terms of the corresponding coarse-grained mean fields. Those transport properties are usually strongly modified by anisotropies and often completely new effects emerge in such a description that have no correspondence in terms of the original (non coarse-grained) fields.

研究动机与目标

• 考察湍流如何促进天体物理系统中质量、动量、能量和磁场的增强输运。
• 突出由发电机效应产生的磁场对空间环境中湍流动力学的影响。
• 分析极端温度和密度对比及分层结构对恒星和星际介质中湍流行为的影响。
• 研究对湍流场进行粗粒化如何导致原始场描述中不存在的新输运效应。
• 阐明在天体物理湍流的平均场描述中出现的各向异性效应和新现象。

提出的方法

• 回顾星际介质和具有外对流区的恒星等天体物理环境中的观测和理论证据。
• 通过粗粒化平均场的视角分析湍流，以分离输运特性。
• 应用平均场理论来模拟质量、动量、能量和磁场的湍流输运。
• 强调磁场，特别是由发电机效应产生的磁场，在改变湍流中的作用，尤其关注其影响。
• 识别在平均场描述中出现的各向异性和新效应，这些在原始非粗粒化场中并不存在。
• 将天体物理湍流与实验室和大气湍流进行比较，突出关键差异，特别是磁场的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 湍流如何增强天体物理系统中质量、动量、能量和磁场的输运？
• RQ2 由发电机效应产生的磁场在改变恒星和星际介质中湍流输运方面起什么作用？
• RQ3 极端温度和密度对比如何影响天体物理环境中的湍流行为？
• RQ4 湍流流场中的各向异性以何种方式导致原始场或各向同性描述中不存在的新物理效应？
• RQ5 当湍流场通过粗粒化平均场而非原始场进行描述时，会涌现出哪些新现象？

主要发现

• 天体物理系统中的湍流通过粗粒化平均场的作用，显著增强了质量、动量、能量和磁场的输运。
• 通常由发电机效应维持的磁场从根本上改变了湍流输运的性质，并引入了新的各向异性效应。
• 分层结构以及极端的温度和密度对比强烈影响恒星和星际介质中的湍流行为。
• 对湍流场进行粗粒化可揭示原始场描述中不存在的各向异性输运效应和全新的现象。
• 平均场方法揭示了在底层非粗粒化场中无直接对应关系的涌现输运机制。
• 湍流与磁场的相互作用导致的输运特性与非磁化或实验室环境中的特性有质的不同。