[论文解读] MHD Turbulence: A Biased Review

A. A. Schekochihin|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2020

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 12

一句话总结

本文提出了一套统一的MHD湍流框架，通过将对齐视为间歇性效应，调和了Boldyrev的对齐理论与Beresnyak的Kolmogorov型耗散截断标度，实现了二者统一。研究表明，动态对齐与撕裂主导的磁重联共同维系了向耗散尺度的相干级联，解决了长期存在的竞争标度律之间的矛盾，并将磁重联物理机制整合进湍流级联过程。

ABSTRACT

This review puts the developments of the last few years in the context of the canonical time line (Kolmogorov to Iroshnikov-Kraichnan to Goldreich-Sridhar to Boldyrev). It is argued that Beresnyak's objection that Boldyrev's alignment theory violates the RMHD rescaling symmetry can be reconciled with alignment if the latter is understood as an intermittency effect. Boldyrev's scalings, recovered in this interpretation, are thus an example of a physical theory of intermittency in a turbulent system. Emergence of aligned structures brings in reconnection physics, so the theory of MHD turbulence intertwines with the physics of tearing and current-sheet disruption. Recent work on this by Loureiro, Mallet et al. is reviewed and it is argued that we finally have a reasonably complete picture of MHD cascade all the way to the dissipation scale. This picture appears to reconcile Beresnyak's Kolmogorov scaling of the dissipation cutoff with Boldyrev's aligned cascade. These ideas also enable some progress in understanding saturated MHD dynamo, argued to be controlled by reconnection and to contain, at small scales, a tearing-mediated cascade similar to its strong-mean-field counterpart. On the margins of this core narrative, standard weak-MHD-turbulence theory is argued to require adjustment - and a scheme for it is proposed - to take account of the part that a spontaneously emergent 2D condensate plays in mediating the Alfven-wave cascade. This completes the picture of the MHD cascade at large scales. A number of outstanding issues are surveyed, concerning imbalanced MHD turbulence (for which a new theory is proposed), residual energy, subviscous and decaying regimes of MHD turbulence (where reconnection again features prominently). Finally, it is argued that the natural direction of research is now away from MHD and into kinetic territory.

研究动机与目标

• 解决Boldyrev基于对齐的MHD湍流标度与Beresnyak的Kolmogorov型耗散截断标度之间的张力。
• 证明动态对齐与间歇性与RMHD重标度对称性一致，纠正早期表述中被认为存在的不一致。
• 将磁重联物理（特别是撕裂主导的湍流）整合进MHD级联过程，表明其维系了湍流能量传递至耗散尺度。
• 将该框架扩展至MHD发电机系统，论证饱和发电机态受磁重联限制，并具有小尺度撕裂主导级联特征。
• 通过引入自发出现的2D凝聚态在介导弱湍流向强湍流过渡中的作用，修正弱MHD湍流理论。

提出的方法

• 将Boldyrev的对齐猜想重新解释为间歇性效应，利用量纲分析与RMHD对称性约束，推导出修正的对齐湍流模型。
• 应用临界平衡与尺度依赖各向异性概念，对强平均场MHD湍流中的平行级联进行建模。
• 分析非线性去相关率与撕裂不稳定性率之间的竞争，评估对齐结构对随机重联的稳定性。
• 运用标度论证与谱分析，表明随机重联层的宽度与对齐结构尺度一致，从而保持级联完整性。
• 为不平衡湍流提出双尺度级联模型，区分半局部与全局不平衡效应。
• 通过将残余能量与重联及间歇性联系起来，提出MHD湍流中残余能量的新理论，尤其在亚粘性与衰减状态下表现显著。

实验结果

研究问题

• RQ1 当将对齐解释为间歇性效应时，Boldyrev的对齐理论能否在不违反RMHD重标度对称性的前提下，与Beresnyak的Kolmogorov型耗散截断标度相容？
• RQ2 在强平均场MHD湍流中，磁重联物理（特别是撕裂与等离子体泡形成）如何与湍流级联相互作用？
• RQ3 间歇性在维系对齐结构并实现向耗散尺度的一致级联中发挥何种作用？
• RQ4 2D凝聚态在阿尔芬波级联中如何介导弱湍流向强湍流的过渡？
• RQ5 磁重联能否解释MHD发电机的饱和态，特别是在无平均磁场的情况下？

主要发现

• 当将MHD湍流中磁场与速度涨落的对齐解释为间歇性效应时，其与RMHD对称性并不矛盾，从而可一致推导出Boldyrev型标度。
• 随机重联不会破坏对齐级联，因为对齐层内非线性去相关 timescale 与重联 timescale 相匹配，从而保持级联完整性。
• 在存在对齐结构的情况下，撕裂主导湍流恢复了Kolmogorov型耗散截断标度（Re^{3/4}），调和了Beresnyak与Boldyrev的观点。
• 在衰减与亚粘性MHD湍流中，重联主导能量级联与谱演化，尤其在非螺旋与不平衡状态下表现显著。
• MHD发电机的饱和态受重联限制，其小尺度湍流特征与无平均磁场下的强场撕裂主导级联相似。
• 提出修正的弱MHD湍流理论，其中自发形成的2D凝聚态介导了向强湍流的过渡，解决了先前波-湍流方法中的不一致。