[论文解读] Kinetic and fluid turbulent cascades in magnetized weakly collisional astrophysical plasmas

A. A. Schekochihin, S. C. Cowley+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2007

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 6

一句话总结

本文为磁化、弱碰撞的天体物理等离子体中的湍流能量级联建立了一个动力学框架，表明大尺度涨落的能量分裂为不同的级联路径：惯性区内为阿尔芬波和压缩性级联，耗散区内为动力学阿尔芬波和离子熵涨落级联。关键成果是推导出这些级联的柯尔莫哥洛夫型标度律，将湍流能量传输与小尺度上的碰撞加热联系起来。

ABSTRACT

We present a theoretical framework for plasma turbulence in astrophysical plasmas (solar wind, interstellar medium, galaxy clusters, accretion disks). The key assumptions are that the turbulence is anisotropic with respect to the mean magnetic field and frequencies are low compared to the ion cyclotron frequency. The energy injected at the outer scale scale has to be converted into heat, which ultimately cannot be done without collisions. A KINETIC CASCADE develops that brings the energy to collisional scales both in space and velocity. Its nature depends on the physics of plasma fluctuations. In each of the physically distinct scale ranges, the kinetic problem is systematically reduced to a more tractable set of equations. In the inertial range above the ion gyroscale, the kinetic cascade splits into a cascade of Alfvenic fluctuations, which are governed by the RMHD equations at both the collisional and collisionless scales, and a passive cascade of compressive fluctuations, which obey a linear kinetic equation along the moving field lines associated with the Alfvenic component. In the dissipation range between the ion and electron gyroscales, there are again two cascades: the kinetic-Alfven-wave (KAW) cascade governed by two fluid-like Electron RMHD equations and a passive phase-space cascade of ion entropy fluctuations. The latter cascade brings the energy of the inertial-range fluctuations that was damped by collisionless wave-particle interaction at the ion gyroscale to collisional scales in the phase space and leads to ion heating. The KAW energy is similarly damped at the electron gyroscale and converted into electron heat. Kolmogorov-style scaling relations are derived for these cascades. Astrophysical and space-physical applications are discussed in detail.

研究动机与目标

• 理解弱碰撞天体物理等离子体中的湍流能量如何传输至碰撞尺度以实现加热。
• 通过识别连接惯性和碰撞尺度的动力学级联，解决无碰撞条件下能量耗散的悖论。
• 推导各向异性、磁化等离子体中低频涨落的湍流级联标度律。
• 在不同尺度范围内区分阿尔芬波、压缩性和相空间级联。
• 将小尺度动力学与太阳风和星系团等系统中的宏观加热速率联系起来。

提出的方法

• 针对相对于平均磁场方向的各向异性条件，对等离子体湍流进行理论建模。
• 将动力学问题在不同尺度范围（惯性和耗散区）内简化为可处理的方程。
• 在碰撞和无碰撞尺度下均使用简化磁流体动力学（RMHD）方程描述阿尔芬波涨落。
• 应用线性动力学方程，沿阿尔芬波磁力线建模压缩涨落的被动级联。
• 推导用于耗散区内动力学阿尔芬波的双流体类电子RMHD方程。
• 识别离子熵涨落的相空间级联，该级联将能量输运至碰撞尺度，实现离子加热。

实验结果

研究问题

• RQ1 在弱碰撞、磁化的等离子体中，湍流能量如何从大尺度级联至小尺度？
• RQ2 当小尺度上碰撞可忽略时，何种机制使能量能传输至碰撞尺度？
• RQ3 在惯性区内，阿尔芬波和压缩涨落在能量级联中如何发挥不同作用？
• RQ4 离子熵涨落的相空间级联在离子加热中起何种作用？
• RQ5 哪些标度律控制着小尺度湍流级联中的能量传输？

主要发现

• 动力学生级联分为两个独立路径：惯性区内由RMHD方程支配的阿尔芬波涨落，以及沿磁场线由线性动力学方程支配的压缩涨落。
• 在耗散区内，动力学阿尔芬波由电子RMHD方程描述，导致电子回旋尺度上的电子加热。
• 离子熵涨落经历一个被动的相空间级联，将能量输运至碰撞尺度，通过波粒相互作用实现离子加热。
• 为所有级联推导出柯尔莫哥洛夫型标度律，将能量通量与尺度相关的谱指数联系起来。
• 该框架解释了外尺度注入的能量如何通过小尺度无碰撞过程最终转化为热能。
• 该模型广泛适用于太阳风、星际介质、星系团和吸积盘等天体物理系统。