[论文解读] Isotropization and Evolution of Energy-Containing Eddies in Solar Wind Turbulence: Parker Solar Probe, Helios 1, ACE, WIND, and Voyager 1

M. E. Cuesta, Rohit Chhiber+7 more|arXiv (Cornell University)|May 1, 2022

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 52被引用 39

一句话总结

本研究利用帕克太阳探测器、先驱者1号、ACE、WIND和旅行者1号的磁场数据，分析了太阳风湍流中能量含有的涡旋相关长度的径向演化。研究发现，垂直（λ⊥C）和平行（λ∥C）相关长度在约1 au处趋于各向同性，0.10 au处λ∥C/λ⊥C ≈ 0.75，1 au处≈1.29，表明各向异性随太阳系距离发生反转，同时强调在准确解释帕克太阳探测器数据的湍流特性时，必须考虑其采样方向随时间的变化。

ABSTRACT

We examine the radial evolution of correlation lengths perpendicular (\(\lambda_C^{\perp}\)) and parallel (\(\lambda_C^{\parallel}\)) to the magnetic-field direction, computed from solar wind magnetic-field data measured by Parker Solar Probe (PSP) during its first eight orbits, Helios 1, Advanced Composition Explorer (ACE), WIND, and Voyager 1 spacecraft. Correlation lengths are grouped by an interval's alignment angle; the angle between the magnetic-field and solar wind velocity vectors (\(\Theta_{ m BV}\)). Parallel and perpendicular angular channels correspond to angles \(0^{\circ}~<~\Theta_{ m BV}~<~40^{\circ}\) and \(50^{\circ}~<~\Theta_{ m BV}~<~90^{\circ}\), respectively. We observe an anisotropy in the inner heliosphere within 0.40~au, with \(\lambda_C^{\parallel} / \lambda_C^{\perp} \approx 0.75\) at 0.10~au. This anisotropy reduces with increasing heliocentric distance and the correlation lengths roughly isotropize within 1~au. Results from ACE and WIND support a reversal of the anisotropy, such that \(\lambda_C^{\parallel} /\lambda_C^{\perp} \approx 1.29\) at 1~au. The ratio does not appear to change significantly beyond 1~au, although the small number of parallel intervals in the Voyager dataset precludes unambiguous conclusions from being drawn. This study provides insights regarding the radial evolution of the large, most energetic interacting turbulent fluctuations in the heliosphere. We also emphasize the importance of tracking the changes in sampling direction in PSP measurements as the spacecraft approaches the Sun, when using these data to study the radial evolution of turbulence. This can prove to be vital in understanding the more complex dynamics of the solar wind in the inner heliosphere and can assist in improving related simulations.

研究动机与目标

• 研究太阳风湍流中垂直（λ⊥C）和平行（λ∥C）于磁场的相关长度的径向演化。
• 利用多颗卫星的数据，评估能量含有的涡旋各向异性随太阳系距离的变化。
• 解决帕克太阳探测器测量中由于径向流动和近日点附近磁场对齐导致的采样方向偏差问题。
• 利用帕克太阳探测器、先驱者1号、ACE、WIND和旅行者1号的数据，从0.1 au到10 au全面描绘湍流演化。
• 强调在解释帕克太阳探测器数据的湍流研究时，必须考虑其采样方向随时间的变化。

提出的方法

• 计算磁场扰动b(t) = B(t) − ⟨B⟩在时间间隔内的双时间自相关函数RC(τ)。
• 从RC(τe) = 1/e中确定e折相关时间τe，代表能量含有的涡旋的特征 timescale。
• 应用泰勒冻结流假设（ℓ = VSWτ）将τe转换为空间相关尺度λC = VSWτe。
• 根据太阳风速度与磁场矢量之间的夹角ΘBV将时间间隔分组：0° < ΘBV < 40°（平行）和50° < ΘBV < 90°（垂直）。
• 对帕克太阳探测器在R < 0.30 au时使用1小时间隔，R > 0.30 au时使用3小时间隔，以保持对减小的相关尺度的充分采样。
• 通过检查VA/VSW比值验证泰勒假设；仅有约1%的帕克太阳探测器间隔在R < 0.20 au时有效性较差（VA/VSW > 0.66）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在内太阳系中，相关长度比值λ∥C/λ⊥C如何随太阳系距离演化？
• RQ2 太阳风湍流中能量含有的涡旋各向异性是否在1 au附近趋于各向同性？若是，该比值的大小是多少？
• RQ3 帕克太阳探测器数据中的采样方向偏差（由径向流动和磁场对齐引起）如何影响垂直相关长度的测量？
• RQ4 是否存在从内太阳系中λ∥C < λ⊥C到1 au处λ∥C > λ⊥C的各向异性趋势反转，如ACE和WIND数据所暗示的那样？
• RQ5 在1 au以外，相关长度测量的统计可靠性如何，特别是考虑到旅行者1号数据中平行对齐间隔较少？

主要发现

• 在0.10 au处，平行与垂直相关长度的比值为λ∥C/λ⊥C ≈ 0.75，表明沿磁场方向存在显著各向异性，且尺度更短。
• 在1 au以内，相关长度趋于各向同性，λ∥C/λ⊥C趋近于1，表明湍流涡旋的方向偏好性降低。
• ACE和WIND数据表明在1 au处各向异性发生反转，λ∥C/λ⊥C ≈ 1.29，表明平行方向的相关尺度长于垂直方向。
• 在1 au以外，λ∥C/λ⊥C比值无显著变化，但由于旅行者1号数据中平行间隔较少，统计不确定性限制了明确结论。
• 本研究证实，泰勒假设在约99%的帕克太阳探测器间隔中保持有效，仅有约1%在近日点附近有效性较差（VA/VSW > 0.66）。
• 正确考虑帕克太阳探测器数据中采样方向的变化对于准确解释太阳附近的径向湍流演化至关重要。