Emergence of two inertial sub-ranges in solar wind turbulence: dependence on heliospheric distance and solar activity
本文通过分析太阳极小期和极大期的太阳风磁场谱与峰度标度律,发现极小期快速太阳风惯性区间存在$f^{-3/2}$和$f^{-5/3}$两个子区间,其拐点尺度随日球层距离演化并与湍流外尺度和离子尺度相关,而极大期该结构不普遍存在。
2025-02-08 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Conductivity spectrum and dispersion relation in solar wind turbulence
本文从电动力学的观点讨论了太阳风中的磁湍流。这可以基于将所有湍流动力学归因于湍流传导率谱的坡印廷定理的使用来完成。对于两个方向的传播的湍流起伏的电磁场相对于平均加外部磁场的湍流耗散谱的表达式被构造。使用太阳风观测的电磁功率谱密度的惯性子范围,然后允许确定的电导率谱,耗散响应函数,在这个范围内。它要求观测完整的电磁频谱能量密度,包括电功率频谱密度。得到了太阳风惯性范围磁湍流的耗散响应函数和色散关系。色散关系表明空间尺度随频率增加而衰减,为泰勒假设的使用提供了独立的支持。耗散函数表示在惯性范围内的湍流电阻率的近似散粒噪声谱,表明在惯性范围内逐步形成结构,暗示存在离散模式湍流和非线性共振。
2017-01-18 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Dependence of 3D Self-correlation Level Contours on the Scales in the Inertial Range of Solar Wind Turbulence
1010 cm尺度下的自相关水平等值线揭示了慢太阳风的三维各向同性特征和快太阳风的准各向异性特征。而1010 cm尺度则接近低频突变(湍流级联的外尺度),特别是在快风中。在太阳风湍流的惯性范围内,自相关水平等值线如何依赖于尺度而表现仍然是未知的。在这里,我们提出了三维自关联函数水平轮廓和它们的依赖性的尺度在惯性范围内的第一次。我们使用2005-2018年期间来自Wind航天器上仪器的1 AU数据。我们显示了三维各向同性的自相关水平轮廓的磁场在惯性范围内的缓慢和快速的太阳风湍流。我们还发现,自相关水平的速度在惯性范围内的轮廓呈现出二维各向异性与伸长的垂直方向和二维各向同性在垂直于平均磁场的平面。这些结果揭示了磁场和速度之间的差异,为在惯性尺度上解释太阳风湍流提供了新的线索。
2019-12-17 physics.space-ph
Mode Composition Shapes Magnetic Anisotropy in Solar Wind Turbulence
University of California, LA(加州大学洛杉矶分校)
研究揭示太阳风湍流中磁各向异性与压缩模态的关系,为三维湍流cascade提供了新视角。
2025-12-05 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Observation of Inertial-range Energy Cascade within a Reconnection Jet in Earth's Magnetotail
地球的磁尾区域为研究等离子体湍流提供了一个独特的环境。本文研究了地球磁尾区由磁重联产生的排气中的湍流。磁谱和速度谱显示对应于惯性范围的宽带波动,Kolmorogov $-5/3$标度,表明一个发达的湍流级联。我们研究的混合,三阶结构函数,并获得一个线性标度的惯性范围内。三阶结构函数的这种线性标度意味着在惯性范围内能量的标度不变级联。Politano-Pouquet三阶分析给出了$\sim 10^{7}~\mathrm{J\,kg^{-1}\,s^{-1}}$的不可压缩能量传递速率的估计。这是四个数量级高于通常在1 AU的太阳风测量值,这表明湍流级联起着重要的作用,在尾部区域的重连事件期间的能量耗散的途径。
2020-10-05 physics.flu-dyn physics.plasm-ph physics.space-ph
On the Existence of the Kolmogorov Inertial Range in the Terrestrial Magnetosheath Turbulence
在太阳风中,磁场波动的功率谱密度(PSD)在惯性范围内通常遵循所谓的柯尔莫哥洛夫谱f^-5/3,在惯性范围内,动力学被认为是由反向传播的不可压缩阿尔文波群之间的非线性相互作用主导的。这些特征被认为在空间等离子体中普遍存在。本研究给出了一个新的和更复杂的图片磁流体动力学(MHD)湍流中观察到的地球磁鞘。该研究使用来自星团任务的三年原位数据,以探索磁鞘内不同位置(包括侧翼和太阳下区域)MHD尺度的磁波动性质。研究发现,在MHD尺度下,磁场波动的功率谱密度(PSD)一般都接近f^-1(比柯尔莫哥洛夫功率谱密度(PSD)的f^-5/3要浅),直到离子特征尺度,这让人想起了太阳风湍流的能量包含尺度。Kolmogorov谱仅在17%的分析时间间隔内从弓形激波向侧翼和磁层顶区域观察到。测量的磁压缩性,它表明,只有一小部分(35%)的观测到的柯尔莫哥洛夫谱填充剪切阿尔夫维尼奇波动,而大多数的事件(65%)被发现占主导地位的可压缩磁声类波动,这与众所周知的湍流性质的太阳风。这项研究首次全面介绍了f^-1的起源和向柯尔莫哥洛夫惯性范围的过渡;这两个问题在太阳风湍流中仍然存在争议。
2016-12-28 astro-ph.SR physics.space-ph
Inertial range magnetic fluctuation anisotropy observed from PSP first seven orbits
太阳风湍流相对于平均磁场是各向异性的。在解释太阳风中的现场湍流观测时,各向异性会导致模糊不清,因为测量中的明显变化可能是由于固有湍流特性的变化,也可能是由于航天器采样方向的简单变化。我们证明了模糊性使用的光谱指数和磁压缩性在惯性范围内观察到的帕克太阳探测器在其前七个轨道从0.1到0.6 AU。为了解开采样方向的影响,我们评估波矢各向异性是否与二维(2D)加平板湍流传输模型一致,并确定在2D与平板组件的功率的分数。我们的研究结果证实,2D加板模型与数据是一致的,2D和板组件之间的功率比取决于径向距离,在2D波动的相对功率变得更小接近太阳。
2021-12-03 astro-ph.SR physics.space-ph
Persistence of small-scale anisotropy of magnetic turbulence as observed in the solar wind
利用Helios 2号探测器观测的太阳风资料,研究了磁流体动力学湍流的各向异性。我们调查的行为的完整的高阶矩张量的磁场增量,我们比较通常的纵向结构功能,具有各向同性和各向异性的贡献,完全各向异性的贡献。标度指数已被提取的插值标度函数。与流体流动中常见的湍流不同,小尺度的磁波动保持各向异性。我们讨论了各向异性和双折射率的径向依赖性以及它们之间的关系。
2006-07-13 physics.data-an physics.plasm-ph physics.space-ph
Measurement of the electric fluctuation spectrum of magnetohydrodynamic turbulence
观测到太阳风中的磁流体动力学(MHD)湍流在惯性子范围内表现出经典Kolmogorov流体湍流的光谱行为,并在短波长处偏离该光谱行为,在该波长处能量应该被耗散。在这里,我们提出的第一个测量的电场波动谱的惯性和耗散波数范围内的$β\gtrsim 1$等离子体。观测到的$k^{-5/3}$惯性子区与磁涨落谱惊人地一致;在该区域的波相速度与阿尔文速度一致。在较小的波长$k ρ_i \geq 1$的电谱是软的,是符合预期的色散关系的短波长动力阿尔文波。动力学阿尔文波对太阳风离子和电子产生阻尼作用,并可能使它们各向同性。这种效应可以解释太阳风的流体性质。
2005-03-12 physics.plasm-ph physics.space-ph
Inertial-range Turbulence Anisotropy of the Young Solar Wind from Different Source Regions
本文利用帕克太阳探测器前19次相遇数据,研究了来自冕洞、流带和低马赫数边界层的年轻太阳风惯性区湍流各向异性,发现0.3 au以内slab涨落比1 au处更丰富,且方差各向异性随质子等离子体β变化。
2025-07-06 astro-ph.SR physics.space-ph
A Universal Law for Solar-Wind Turbulence at Electron Scales
行星际磁涨落谱在质子惯性长度和回旋半径以上的尺度上服从柯尔莫哥洛夫幂律,这是一个惯性范围。在这些尺度之下,经常测量$-2.5$附近的幂律指数,并将其与非线性色散过程相关联。最近的观测揭示了在电子惯性长度以下的尺度上的第三个区域。这个区域的特征在于一个陡峭的频谱,有些人称之为耗散范围。我们调查这一范围内的尺度在电子磁流体动力学近似,并推导出一个确切的和普遍的法律为三阶结构函数。这一定律可以预言一个指数为$-11/3$的磁涨落谱,它与观测到的最小尺度谱一致。我们得出结论的可能存在的第三个湍流制度的太阳风,而不是最近假设的耗散范围。
2010-08-20 astro-ph.SR physics.space-ph
Interpreting Power Anisotropy Measurements in Plasma Turbulence
本文导出了湍流脉动中功率各向异性与波矢各向异性之间的关系。这可以用来解释等离子体湍流测量,例如在太阳风。如果涨落的形状是各向异性的,那么在平行于和垂直于磁场的方向上的谱中的离子陀螺仪断点将不会在相同的频率处发生,并且对于电子陀螺仪断点也是类似的。当用各向异性湍流理论解释太阳风观测时,这是一个重要的考虑因素。模型磁场功率谱假设一个级联的临界平衡阿尔芬波在惯性范围和动力阿尔芬波的耗散范围。功率各向异性随尺度的变化与现有的太阳风测量进行了比较,并讨论了相似性和差异。
2010-02-22 astro-ph.EP physics.plasm-ph physics.space-ph
Anisotropy of Electric Field Fluctuations Spectrum of Solar Wind Turbulence
为了研究太阳风湍流在惯性范围内的功率和谱指数各向异性,我们使用了Cluster航天器在自由太阳风中积累的70个间隔的电场数据。利用小波分析技术计算了电场起伏功率谱,并研究了其谱指数随日心径向与本地平均磁场夹角的变化。我们发现明确的功率和频谱指数的各向异性的频率范围从0.01 Hz到0.1 Hz,与更多的权力在平行波动比垂直。我们还报告了我们的研究各向异性作为一个功能的太阳活动。
2020-09-22 physics.space-ph