[论文解读] Dissipation via Landau Damping in Two- and Three-Dimensional Plasma Turbulence

Tak Chu Li, G. G. Howes+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2015

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 1

一句话总结

本研究通过二维和三维非线性gyrokinetic模拟表明，在低β等离子体中，湍流能量即使在传统Landau阻尼预期不存在的二维构型下，也通过电子Landau阻尼被耗散。由于三角函数修正因子的存在，共振条件依然有效，导致电子不可逆加热，尽管在二维中能量转移速度显著慢于三维。

ABSTRACT

Plasma turbulence is ubiquitous in space and astrophysical plasmas, playing an important role in plasma energization, but the physical mechanisms that lead to dissipation of the turbulent energy remain to be definitively identified. This work addresses the fundamental physics of turbulent dissipation by examining the velocity-space structure that develops as a result of the collisionless interaction between the turbulent electromagnetic fluctuations and the particles in a low beta plasma. Both two- and three-dimensional (2D and 3D) nonlinear gyrokinetic simulations show an electron velocity-space signature qualitatively similar to that of the linear Landau damping of Alfv\'en waves in a 3D linear simulation. This evidence strongly suggests that the turbulent energy is transferred by Landau damping to electrons in low beta plasmas in both 2D and 3D, making possible the ultimate irreversible heating of the plasma. Although, in the 2D case with no variation along the equilibrium magnetic field, it may be expected that Landau damping is not possible, a common trigonometric correction factor appears in both the resonant denominator and the linear wave frequency, leading to an essentially unchanged resonance condition from the 3D case. Nonetheless, though the qualitative evolution of the 2D and 3D cases is similar, quantitatively the nonlinear energy transfer and subsequent dissipation is substantially slower in the 2D case.

研究动机与目标

• 识别低β空间和天体物理等离子体中湍流能量耗散的基本机制。
• 研究尽管沿平衡磁场方向无磁场变化，Landau阻尼是否仍能在二维等离子体湍流中起作用。
• 比较二维和三维湍流系统中能量转移与耗散的效率和动力学特性。
• 确定速度空间结构在促进无碰撞能量向电子转移中的作用。

提出的方法

• 在二维和三维构型下进行非线性gyrokinetic模拟，以模拟低β等离子体湍流。
• 模拟追踪电磁涨落及其在速度空间中与离子的相互作用。
• 使用三维线性模拟作为参考，将湍流耗散的电子速度空间特征与线性Alfvén波阻尼的特征进行比较。
• 通过检查波频率和共振条件分母中的三角函数修正因子，分析共振条件。
• 定量比较二维与三维情况下能量转移速率和耗散效率。
• 检查速度空间结构，以识别粒子分布函数中Landau阻尼的特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 在缺乏沿磁场方向变化的二维构型下，Landau阻尼是否仍可作为低β等离子体中湍流能量耗散的主导机制？
• RQ2 在无沿磁场方向磁场梯度的情况下，二维湍流中Landau阻尼的共振条件与三维相比如何？
• RQ3 二维与三维湍流系统在非线性能量转移和耗散速率上存在多大的定量差异？
• RQ4 电子分布中的速度空间结构在多大程度上类似于Alfvén波线性Landau阻尼的特征？
• RQ5 三角函数修正因子在二维模拟中如何维持共振条件？

主要发现

• 二维和三维湍流模拟中电子的速度空间结构与三维中Alfvén波线性Landau阻尼的速度空间结构非常相似，表明存在共同的物理机制。
• 尽管缺乏沿磁场方向的变化，由于三角函数修正因子的存在，Landau阻尼在二维中依然有效，从而保持了共振条件。
• 在二维和三维构型中，湍流能量均通过Landau阻尼不可逆地转移至电子，导致等离子体加热。
• 与三维模拟相比，二维中非线性能量转移和后续耗散的发生速率显著较慢。
• 二维与三维情况下速度空间特征的定性相似性证实，Landau阻尼是两种几何构型中的主导耗散机制。
• 结果提供了强有力的证据，表明Landau阻尼是低β空间和天体物理等离子体中湍流能量耗散的关键途径。