Helical distributed chaos in magnetic field of solar wind
利用直接数值模拟(以磁螺旋度为主)、等离子体风洞实验和太阳风测量(以磁螺旋度和交叉螺旋度组合效应为主)的结果,研究了磁场中螺旋分布的混沌。用于光谱计算的太阳风测量值是由Helios-1号和Helios-2号飞行任务分别针对低日纬度和高日纬度以及针对$0.4 < R <4.5$ AU(其中$R$是距太阳的距离)的高太阳风速度产生的。
2019-07-04 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.space-ph
Evidence for the helicity barrier from measurements of the turbulence transition range in the solar wind
利用 Parker Solar Probe 观测,研究发现离子回旋半径附近磁能谱形态支持太阳风小尺度存在螺旋度势垒,并确定其形成的 beta 与交叉螺旋度临界条件。
2024-07-15 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
On the Helicity of Open Magnetic Fields
我们重新考虑了开域中磁场的磁螺旋度的拓扑解释,并将其与相对螺旋度联系起来。具体来说,我们的域在两个平行平面之间伸展,并且这些末端中的每一个都可以是磁性开放的。它表明,虽然磁螺旋度是规范相关的,它的值在任何规范可以被物理解释为平均绕组数之间的所有对场线相对于一些正交框架场。实际上,规范的选择等同于相对螺旋度中参考场的选择,这意味着磁螺旋度在物理意义上并不逊色。我们证明,一个特定的衡量总是衡量绕组相对于一个固定的框架,并建议,这通常是最好的选择。对于周期性场,这种选择相当于测量相对于潜在参考场的相对螺旋度。但对于非周期场,我们证明了位场是可以扭曲的。我们通过构造证明了总是存在一个可能的无扭参考场。
2014-04-15 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Helicity, low-dimensional distributed chaos and scaling in MHD turbulence
结果表明,螺旋度分布的二阶矩(无粘流体力学的Levich-Tsinober不变量)可以作为绝热不变量在磁流体力学中保持。分布混沌方法和惯性范围现象已被开发的磁流体动力学过程中占主导地位的绝热不变量,和一些理论考虑的后果进行了比较,直接数值模拟和测量结果在太阳风。在这方面也简要讨论了星际MHD湍流的螺旋标度。
2021-06-15 physics.flu-dyn physics.space-ph
Dependence of Solar Wind Proton Temperature on the Polarisation Properties of Alfvénic Fluctuations at Ion-kinetic Scales
我们使用波动的磁螺旋度来研究Alfvénic波动在离子动力学尺度的极化特性,在太阳风作为$β_p$的函数,质子的热压力磁压力的比率,和$θ_{vB}$,质子流和本地平均磁场之间的角度,$\mathbf{B}_0$。使用近15年的\textit{Wind}观测,我们分开的贡献,螺旋度波动与波矢量,$\textbf{k}$,准平行和倾斜的$\mathbf{B}_0$,发现螺旋度的Alfvénic波动是一致的预测从线性Vlasov理论。这一结果表明,在这些尺度上的非线性湍流波动至少与阿尔文波共享一些偏振特性。我们还研究了质子温度在$β_p$ - $θ_{vB}$平面的依赖性,以探测湍流耗散的可能特征,发现它与$θ_{vB}$相关。平行于$\mathbf{B}_0$的质子温度在我们测量右手阿尔夫文涨落螺旋度的参数空间中较高,而垂直于$\mathbf{B}_0$的温度在我们测量左手涨落的参数空间中较高。这一发现与一般假设不一致,即通过对太阳风中不同的$θ_{vB}$进行采样,我们可以分析湍流分布对$θ_{kB}$的依赖性,$\textbf{k}$和$\mathbf{B}_0$之间的角度。排除仪器和膨胀效应后,我们的结论是,我们的研究结果提供了新的证据,当地的动力学过程,依赖于$θ_{vB}$在确定质子温度的太阳风的重要性。
2021-03-09 physics.plasm-ph physics.space-ph
Chromospheric turbulence as a regulator of stellar wind mass flux
The University of Tokyo(东京大学);KU Leuven(荷语鲁汶大学);Université Paris-Saclay, Université Paris Cité, CEA, CNRS, AIM(巴黎萨克雷大学、巴黎西岱大学、法国原子能和替代能源委员会、法国国家科学研究中心、天体物理学和分子相互作用实验室);Nagoya University(名古屋大学)
研究通过一维波驱动风模拟,探讨色球湍流对恒星风质量通量的调节作用,发现抑制色球湍流可使日冕粒子通量增加一个数量级,从而再现日冕磁场强度与质量通量的观测比例关系。
2026-04-22 astro-ph.SR physics.space-ph
The Incompressible Magnetohydrodynamic Energy Cascade Rate Upstream of Mars: Effects of the Total Energy and the Cross-Helicity on Solar Wind Turbulence
本研究基于MAVEN五年数据,分析了火星上游太阳风湍流的不可压缩MHD能量串级率,发现波动处于磁主导状态且存在能量反向传输,并揭示了总能量与交叉螺旋度对串级率的影响。
2024-06-26 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.space-ph
Magneto-inertial range dominated by magnetic helicity in space plasmas
该研究综合模拟、实验与多源空间观测,在 Kolmogorov-Iroshnikov 框架下验证磁螺旋度主导的磁惯性区谱理论,并表明其跨越磁流体动力学至动力学尺度均成立。
2024-05-21 physics.flu-dyn physics.plasm-ph physics.space-ph
High-frequency heating of the solar wind triggered by low-frequency turbulence
快速太阳风的高速和非热特性要求在太阳表面上方发生显著的加热。两个主要的理论似乎是不相容的:低频“阿尔夫维尼克”湍流,它向外传输能量,被航天器普遍观察到,但难以解释所观察到的离子对电子加热的主导作用;高频离子回旋波(ICW),它解释了离子的非热加热,但缺乏明显的来源。在这里,我们认为,最近提出的“螺旋障碍”的影响,限制电子加热抑制湍流级联的能量到最小的尺度,可以统一这两个范例。我们的六维模拟显示了螺旋度障碍如何导致大尺度能量随时间增长,从而从低频湍流中产生小平行尺度和高频ICW加热。由此产生的湍流和离子分布函数也与帕克太阳探测器和其他航天器的现场测量结果密切匹配,解释了在磁波动光谱中观察到的陡峭的“过渡范围”长达数十年的难题。该理论预测了等离子体膨胀和离子-电子加热比之间的因果关系。考虑到风速和膨胀之间的观测关联,我们认为螺旋度障碍可能在调节太阳风的双峰速度分布中起着关键作用。
2022-02-23 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Kinetic scales dominated by magnetic helicity in space plasmas
该研究结合全动力学三维数值模拟与太阳风、地球磁层观测,发现空间等离子体亚离子尺度上从确定性混沌到湍流的转变由磁螺旋度直接或经Kolmogorov-Iroshnikov现象学主导,且模拟与观测定量吻合。
2024-08-19 physics.plasm-ph physics.space-ph
The Role of Proton-Cyclotron Resonance as a Dissipation Mechanism in Solar Wind Turbulence: A Statistical Study at Ion-Kinetic Scales
我们使用磁场和离子矩数据的MFI和SWE仪器板载的风航天器上的离子动力学尺度的太阳风湍流的性质进行研究。我们使用自动化程序分析了2012年磁场波动在0.1和5.5 Hz之间的光谱特性,计算高分辨率92 s功率和磁螺旋度谱。为了确保光谱特征是物理的,我们在2004年初使用地球磁层的尾瓣交叉点对MFI“噪声本底”进行了第一次飞行测量。我们利用泰勒的假设多普勒频移到航天器的频率框架,发现在这些频率观察到的频谱中断是最好的质子回旋共振尺度,$1/k_c$,质子惯性长度$d_i$和质子陀螺仪$ρ_i$相比。当我们考虑$β_{i,\perp}\sim1$的周期时,这种一致性是最强的,并且与$β_{i,\perp}\ll1$在$d_i$和$β_{i,\perp}\gg1$在$ρ_i$处的谱断裂一致。我们还发现,在这些频率下观察到的相干磁螺旋度签名是有界的$1/k_c$在低频率和其绝对值达到最大值在$ρ_i$。这些结果适用于慢速和快速的气流,但在螺旋度特征最强的Alfvénic快速风中具有更好的相关性。我们的结论是,这些研究结果是一致的质子回旋共振作为一个重要的机制耗散的湍流能量在太阳风,发生至少有一半的时间在我们选定的时间间隔。但是,我们不排除其他机制。
2018-02-14 physics.plasm-ph physics.space-ph
Cross Helicity Reversals In Magnetic Switchbacks
我们考虑2D联合分布的归一化剩余能量$σ_r(s,t)$和交叉螺旋度$σ_c(s,t)$在一天的帕克太阳探测器(PSP)的第一次遇到作为小波尺度$s$的函数。分布的广泛特征与HELIOS以前在慢太阳风中的观测结果相似,即相关性良好,相当Alfvénic,除了在较短的小波尺度上看到的负交叉螺旋度的人口。我们发现,这是由于人口的存在下,磁之字形,短暂的时期,磁场极性反转。在HELIOS数据和极地太阳风中的太阳风数据中,以前都观察到过这样的反转。PSP在第一次遇到它们时所看到的它们的丰度和短时间尺度是一个新的观察结果,它们的确切起源仍然未知。通过分析这些MHD不变量作为小波尺度的函数,我们表明,MHD波确实遵循当地的平均磁场通过之字形,与净Elsasser通量向内传播的领域反转期间,因此,他们必须是当地的扭结在磁场,而不是由于太阳表面上的小区域相反的极性。请记住,此类观测结果很重要,因为在不考虑之字形影响的情况下计算交叉螺旋度可能会导致错误地低估$σ_c$,因为PSP在稍后的轨道中更接近太阳。
2019-12-17 astro-ph.SR physics.space-ph
Magnetic twist: a source and property of space weather
我们提出的证据有限的磁螺旋密度在日光层和数值模型,并将其与太阳对流区的发电机的磁场属性。我们使用模拟和太阳风数据来计算磁螺旋度直接从模拟,或间接使用的时间序列的斜对称分量的磁相关张量。我们发现太阳发电机在小尺度下产生负的磁螺旋度,在大尺度下产生正的磁螺旋度。然而,在日球层中,这些性质被逆转,现在的磁螺旋度在小尺度上是正的,在大尺度上是负的。我们解释这一事实,即负扩散磁螺旋度通量对应于磁螺旋度的正梯度,这导致在北半球的一些半径从负值到正值的符号变化。
2012-07-18 astro-ph.SR physics.space-ph
Turbulence in the Sub-Alfvénic Solar Wind
帕克太阳探测器(PSP)进入一个区域的亚阿尔夫文太阳风在遇到8,我们提出了第一个详细的分析低频湍流特性在这个新的区域。在此期间,磁场和流速矢量高度一致。通过构建频谱图的归一化磁螺旋度,交叉螺旋度,和剩余能量,我们发现,PSP观察到主要Alfvenic波动,一个后果的高度场对齐的流,使准二维波动不可观察到PSP。我们将Taylor假设推广到亚、超Alfvenic流。波动的前向和后向Elsasser变量的频谱。所观察到的光谱很好地拟合使用谱理论几乎不可压缩磁流体力学假设波数各向异性。密度谱是一个幂律,既不像Elsasser谱,也不像可压缩磁场谱,这表明这些是平流熵,而不是磁声模式,而不是由于参数衰减不稳定性。在相邻的适度超阿尔文间隔的光谱是相似的。
2022-02-05 astro-ph.SR physics.space-ph
Properties underlying the variation of the magnetic field spectral index in the inner solar wind
本文利用帕克太阳探测器数据研究内太阳风磁场谱指数从-5/3到-3/2的转变,发现交叉螺旋度是最可能的控制变量,并讨论了不平衡湍流等可能解释。
2023-07-10 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Cross Helicity of the November 2018 Magnetic Cloud Observed by the Parker Solar Probe
磁云是太阳风中的大尺度瞬态结构,具有低等离子体$β$、低振幅磁场波动和两端经常连接到太阳的扭曲磁力线。它们的惯性范围湍流特性还没有被详细研究。在这封信中,我们分析了帕克太阳探测器在0.25 au处观测到的2018年11月磁云中等离子体波动的归一化交叉螺旋度$σ_c$和剩余能量$σ_r$。云核中的$|σ_c|$值较低,表明与平均场平行和反平行的波功率大致平衡,而云的外层显示出较大幅度的Alfvénic波动,具有较高的$|σ_c|$值和$σ_r\sim0$。这些属性进行了讨论云的太阳能连接和当地的相互作用与太阳风。我们认为,低$|σ_c|$可能是磁云的共同特征,因为它们具有典型的封闭场结构。反向阳波动传播的云的上游有强烈的负$σ_r$值。
2020-08-18 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Influence of the heliospheric current sheet on the evolution of solar wind turbulence
利用扩展箱模型(EBM)的MHD模拟方法研究了日球电流片(HCS)对太阳风中Alfvénic湍流演化的影响。模拟结果表明,在HCS附近,湍流的Alfvénicity降低,表现为较低的归一化交叉螺旋度和较大的过剩磁能。数值结果得到了OMNI数据叠加历元分析的支持,表明HCS周围等离子体片内部的归一化交叉螺旋度减小,HCS中心的过剩磁能显著增强。模拟结果表明,HCS周围Alfvénicity的降低是由于径向磁场的减弱和背景磁场中横向梯度的影响。湍流中的磁能过剩可能是由于速度和磁场之间的Alfvénic相关性的丧失以及球形膨胀的太阳风中横向动能相对于磁能的更快衰减的结果。
2022-02-15 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Propagation of Alfvén waves in the expanding solar wind with the fast-slow stream interaction
我们进行了二维磁流体动力学(MHD)模拟的阿尔夫文波动在结构化的,扩大太阳风,包括存在的快速和缓慢的太阳风流传播的合奏。使用适当的扩展箱模型,模拟包括快速-慢速流剪切和压缩和稀疏自洽的影响。我们研究了交叉螺旋度的径向和纵向演化,总能量和剩余能量以及向外和向内的Alfvénic涨落的功率谱。流的相互作用被发现强烈影响的Alfvénic湍流的径向演变。阿尔文波的总能量在速度切变区域内被耗尽,伴随着归一化的交叉螺旋度的减小。流压缩的存在促进了这一过程。由于向内/向外波之间的相关性和去相关性,剩余能量在零附近波动,但没有观察到剩余能量的净增长或减少。向内/向外的阿尔文波的径向功率谱显示出显着的纵向变化。只有在快流和慢流中,并且当压缩和剪切都存在时,才会产生类似Kolmogorov的光谱。另一方面,沿纵向方向的光谱显示在所有情况下清晰的柯尔莫哥洛夫惯性范围。
2019-12-08 astro-ph.SR physics.space-ph
Cascade models of anisotropic turbulence in magnetized plasma of solar wind
ICAR(以色列应用物理研究所)
本文提出太阳风阿尔文湍流的级联模型,利用双时间尺度与对齐角描述各向异性,揭示能量级联从慢速$k^{-3/2}$向快速$k^{-5/3}$的一级相变,并由多探测器数据验证。
2026-10-30 physics.space-ph
Measures of Scale Dependent Alfvénicity in the First PSP Solar Encounter
太阳风显示出高度阿尔夫文活动的时期,速度波动和磁场波动相互对齐或反对齐。人们普遍认为,帕克太阳探测器(PSP)在第一次相遇时观测到的太阳风等离子体速度和磁场波动大多是高度阿尔夫文型的。然而,需要对Alfvénicity进行定量测量,以了解这些波动的特征如何与以前在日光层内外、快风和慢风以及高纬度和低纬度飞行任务中的标准测量进行比较。为了研究这个问题,我们采用了几种措施来量化阿尔文性的程度-阿尔文比$r_A$,{归一化}交叉螺旋度$σ_c$,{归一化}剩余能量$σ_r$,以及速度和磁场波动之间的夹角的余弦$\cosθ_{vb}$。我们发现,尽管总体印象是阿尔夫维尼是大的太阳风采样的PSP在第一次遇到,在某些时间间隔的交叉螺旋度开始下降,在非常大的尺度。这些长度尺度(通常是$> 1000 d_i$)都在惯性范围内,因此,在这些尺度下交叉螺旋度的抑制不能归因于动力学物理。这种大尺度的下降可能是由PSP采样的内日光层中存在的大尺度剪切来解释的。在某些情况下,尽管交叉螺旋度是恒定的噪声本底,剩余能量随惯性范围内的规模。这些结果表明,重要的是要考虑所有这些措施来量化Alfvénicity。
2019-12-16 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
The global distribution of magnetic helicity in the solar corona
通过定义一个合适的磁力线螺旋度,我们将强有力的磁螺旋度概念应用于太阳日冕中的全球磁场演化问题。作为一个理想的磁流体动力学不变量,磁力线螺旋度是一个有意义的措施,如何磁螺旋度分布在日冕体积。对于每条磁场线,它可以被解释为与该场线链接的磁通量。使用磁摩擦模拟,我们调查如何场线螺旋度演变的非潜在的日冕作为剪切的结果,在太阳表面上的大尺度运动。在开放的磁场线上,太阳注入的螺旋度大部分输出到太阳风中,只要日冕弛豫足够快。但是在闭合的磁场线上,螺旋度是能够建立起来的。我们发现磁力线螺旋度是不均匀分布的,并且在扭曲的磁通量绳中高度集中。这些磁通绳的爆发被证明会导致突然爆发的螺旋度输出,相反,沿开放的磁场线的稳定通量。
2017-05-22 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Impact of Residual Energy on Solar Wind Turbulent Spectra
太阳风中磁场和速度涨落的功率谱具有幂律标度,惯性谱指数分别为-5/3和-3/2。对太阳风湍流的研究一再证明了不连续性和相干结构对测量的光谱指数的影响。这种不连续性是由湍流自身产生的,还是仅仅是从日光层内部观测到的平流结构,一直是一个有相当大争议的问题。这项工作提出了一个统计研究的磁场和速度谱指数超过10年的太阳风观测,我们发现,异常陡峭的磁谱发生在磁性占主导地位的间隔负剩余能量。然而,这种负剩余能量的增加对速度波动的谱指数没有明显的影响,这表明这些具有负剩余能量的间隔对应于间歇性的磁性结构。我们统计表明,磁和速度谱指数之间的差异是一个单调的剩余能量的函数,与以前的工作,这表明波动的不稳定性导致频谱陡峭。此外,交叉螺旋度的统计分析表明,当湍流是平衡的(低交叉螺旋度),磁和速度谱指数是不相等的,这表明,我们的观察到的负剩余能量和间歇性结构相关的非线性湍流相互作用,而不是存在的平流预先存在的通量管结构。
2018-05-07 astro-ph.SR physics.space-ph
Kinetic Scale Spectral Features of Cross Helicity and Residual Energy in the Inner Heliosphere
在本文中,我们提出了第一个结果,从通量角操作模式的法拉第杯仪器机载帕克太阳探测器。通量角模式允许以293 Hz的节奏快速测量接近质子速度分布函数峰值的相空间密度波动。这种方法为理解太阳风和日华中的动力学尺度湍流提供了一个宝贵的工具。本文描述了一种将相空间密度涨落转换为矢量速度分量的方法,并计算了帕克太阳探测器在距太阳0.174AU处首次相遇时两个时间间隔内的谱指数、剩余能量和交叉螺旋度等湍流参数。
2019-12-16 physics.plasm-ph physics.space-ph
Magnetic interaction analysis of multiple interplanetary coronal mass ejections leading to a historic geomagnetic storm in May 2024
本研究分析2024年5月强地磁暴期间5个ICME的磁相互作用,发现同一太阳风结构中两个对应体因磁重联取向和磁含量差异导致对地有效性不同,对空间天气预报提出挑战。
2025-08-22 astro-ph.SR physics.space-ph
Kinetic range spectral features of cross-helicity using MMS
利用磁层多尺度(MMS)探测器的数据,研究了太阳风和磁鞘中离子速度和磁场相关性的谱特征。高分辨率的MMS观测,使这些相关性之间的过渡的研究,在更大的尺度上的亚质子动力学范围内,以前未研究的航天器数据。交叉螺旋度,角对准和能量分配检查在一个合适的尺度范围内,采用基于泰勒冻结近似的测量以及直接两个航天器相关测量。结果表明,在大规模的对齐签名。当接近动力学标度时,质子的退磁破坏了v和b之间的排列。
2018-09-06 astro-ph.GA physics.plasm-ph physics.space-ph
Electron-ion heating partition in imbalanced solar-wind turbulence
本研究通过混合动理学模拟探讨归一化交叉螺旋度对太阳风加热的调控作用,揭示螺旋度屏障效应随非平衡度变化的规律,解释了多种太阳风观测特征。
2024-09-15 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Extreme heating of minor ions in imbalanced solar-wind turbulence
本文利用 Pegasus++ 模拟含 He²⁺ 和 O⁵⁺ 的低β等离子体非平衡阿尔芬湍流,揭示螺旋度屏障通过离子回旋波和朗道共振加热导致微量离子极端加热,并给出与观测一致的特征。
2024-11-19 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Nonlocal Evolution of Magnetic Helicity across the Magnetohydrodynamic-Kinetic Interface
Technische Universität Braunschweig(布伦瑞克工业大学);Max Planck Institute for Solar System Research(马克斯·普朗克太阳系研究所);Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia(意大利国家地球物理和火山学研究所);University of California, Berkeley(加州大学伯克利分校);KTH Royal Institute of Technology(瑞典皇家理工学院);Stockholm University(斯德哥尔摩大学);Ilia State University(伊利亚州立大学);Carnegie Mellon University(卡内基梅隆大学);Adelaide University(阿德莱德大学);National Institute for Space Research (INPE)(国家空间研究所)
基于帕克太阳探测器数据,首次证实内日球层存在从太阳到水星轨道附近的持续磁螺度逆级联,并发现谱磁螺度密度符号变化的频率随距离对数递减,挑战了传统随机性假说。
2026-10-14 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Alfvénicity and Proximity to Parallel-Mode Marginal Stability in the Slow Solar Wind
Sikkim University(锡金大学);Netaji Subhas University of Technology(内塔吉·苏巴斯技术大学)
本研究利用Wind卫星数据,发现慢太阳风中阿尔文性水平与平行模边际稳定性接近度相关,阿尔文性慢风波动振幅更低,更接近稳定性阈值,但因果关系未确定。
2026-09-15 physics.space-ph
Small-scale flux ropes in ICME sheaths
行星际日冕物质抛射(ICME)鞘区是由上游的太阳风由于ICME的传播和膨胀而偏转和压缩形成的。因此,在太阳风中发现的小尺度通量绳可以被扫入ICME驱动的鞘区。它们也可以通过一系列过程在鞘内局部产生。本文应用小波分析方法得到了归一化约化磁螺旋度、归一化交叉螺旋度和归一化剩余能量,并利用它们识别了Wind航天器在近地太阳风中观测到的55个ICME驱动鞘区中的小尺度通量绳和Alfvén波。分别针对$10^{-2} - 10^{-4}$ Hz之间的三个不同频率范围研究其发生。我们发现,小规模的通量绳更常见于ICME鞘比在上游风,这意味着他们至少在一定程度上积极产生的鞘,而不仅仅是从上游风压缩。阿尔文波在上游风和鞘层中出现得更均匀。这项研究还表明,虽然最高频率(最小规模)的通量绳发生相对均匀的鞘,较低频率(最大规模)的通量绳峰值附近的ICME的领先优势。这表明它们可能有不同的物理起源,ICME前缘附近的过程对于产生更大规模的种群很重要。
2022-08-16 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Collisionless heat flux regulation via electron firehose instability in presence of a core and suprathermal population in the expanding solar wind
太阳风中电子热通量的演变受以下几种效应之间的相互作用的调节:太阳风膨胀,这可能会导致速度-空间不稳定性、湍流和波粒相互作用,以及可能的碰撞。在这里,我们讨论了在存在多个电子群的情况下发展的太阳风膨胀和电子消防管不稳定性在调节热通量方面各自发挥的作用。我们进行完全动力学,扩展箱模型模拟和单独分析的焓,体积和速度分布函数偏度的贡献,为每个电子物种。我们观察到决定电子能流演化的关键因素是电子布居数在太阳风静止坐标系中漂移速度的减小。在我们的模拟中,电子热能的重新分配,从平行的垂直方向后,电子消防水龙带不稳定性的发病观察。然而,这一过程似乎对能量通量演化的影响微乎其微。因此,在太阳风框架中电子种类漂移速度的减少似乎与热通量不稳定性的效率直接相关
2020-07-14 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Identification of Magnetic Flux Ropes from Parker Solar Probe Observations during the First Encounter
帕克太阳探测器(PSP)在其第一次绕日轨道运行期间观测到了行星际日冕物质抛射(ICME)事件以及许多其他事件。这一事件进行了分析,通过应用小波分析技术,以获得减少磁螺旋度,交叉螺旋度,和剩余能量,其中前两个是磁流体力学(MHD)不变量。结果表明,ICME作为一个大尺度的磁通量绳,具有很高的磁螺旋度,很低的交叉螺旋度,以及很高的负剩余能,从而指向一个磁涨落主导的结构.使用同样的技术,我们还搜索了2018/10/22--2018/11/21期间的小尺度相干磁通量绳结构,这是太阳风中准二维MHD湍流所固有的。从PSP现场航天器测量中确定了持续时间在8到300分钟之间的多个结构。这些结构的位置和规模的特点是归一化约化磁螺旋度,归一化交叉螺旋度和归一化剩余能量的小波频谱图。输运理论认为,这些小尺度磁通量绳可能有助于加速带电粒子通过磁重联过程,这些结构的耗散可能是重要的了解日冕加热过程。
2019-12-05 astro-ph.SR physics.space-ph
A Kinetic Model of Solar Wind Generation and Heating by Kinetic Alfvén Wave Turbulence
本文提出一个冕洞质子动力学模型,研究临界平衡动力学阿尔文波通过回旋与朗道共振耗散加热太阳风的过程,发现平衡与不平衡湍流谱结果几乎无差异,且所得参数不足以产生快太阳风,建议下一步引入螺旋度屏障情景修正模型。
2024-05-04 physics.space-ph
Turbulence/wave transmission at an ICME-driven shock observed by Solar Orbiter and Wind
太阳轨道器于2020年4月19日在0.8 AU观测到行星际日冕物质抛射(ICME)事件。ICME也于2020年4月20日在1 AU被Wind观测到。行星际激波被驱动到ICME的前面。我们着重于磁波动穿过激波的传输,并分析了两个航天器观测到的激波附近的太阳风湍流的特征波模式。ICME事件的特征在于基于磁螺旋度的技术。太阳轨道器激波法线采用磁共面法,风激波法线采用混合共面法。磁场波动的功率谱是通过应用快速傅立叶变换和Morlet小波分析产生的。为了理解在激波附近观测到的波的性质,我们使用归一化的磁螺旋度作为诊断参数。利用小波重构的磁场涨落矢端图进一步研究了波的偏振特性。我们发现,太阳轨道器和风观测到的ICME驱动激波是一个快向前的斜激波,激波角更垂直于1 AU。激波穿越后,磁场波动功率增大。大部分磁场涨落功率存在于横向涨落中。在激波附近,两个航天器都观察到航天器框架中的右旋偏振波。上游波的特征属于一个相对较宽的低频带,这可能是由于流动粒子激发的低频MHD波。对于下游磁波活动,我们在航天器坐标系中发现了频率接近质子回旋频率的倾斜动力学阿尔文波。由于激波压缩和多普勒效应,下游波的频率增加了7-10倍。
2021-02-05 astro-ph.SR physics.space-ph
On the Regulation of the Solar Wind Helium Abundance by the Hydrogen Compressibility
Heliophysics Science Division NASA Goddard Space Flight Center(NASA 戈达德太空飞行中心日物理科学部);INAF - Institute for Space Astrophysics and Planetology(意大利国家天体物理研究所空间天体物理学和行星学研究所)
研究发现太阳风氦丰度受氢压缩性调控,通过分析压缩波动揭示快速风中氦丰度梯度变化机制。
2025-08-28 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Dynamical Age of Alfvénic Turbulence in the Solar Wind
University of Delaware(特拉华大学);NASA Goddard Space Flight Center(美国宇航局戈达德太空飞行中心);University of Maryland(马里兰大学)
本文提出了一种新的太阳风湍流年龄计算方法,考虑了阿伦德湍流特性,分析了不同风流中湍流年龄的变化,揭示了交叉螺旋度对磁流体动力学湍流的影响。
2026-03-27 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Observational evidence for solar wind proton heating by ion-scale turbulence
基于2005年至2015年风航天器的现场测量,这封信首次报告了质子温度与太阳风湍流之间明显的尺度依赖关系。质子尺度湍流的统计分析表明,增加螺旋度的幅度对应于陡峭的磁能谱。特别地,在尺度$0.3 \lesssim kρ_p \lesssim 1$上,质子垂直温度和湍流磁能之间存在正的幂律相关性(斜率为$\sim 0.4$),其中$k$为波数,$ρ_p$为质子回旋半径。这些发现提供了质子尺度湍流加热太阳风的证据。它们还提供了对太阳风中湍流耗散物理的洞察力和观测约束。
2020-08-31 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Stochastic Heating, Differential Flow, and the Alpha-to-Proton Temperature Ratio in the Solar Wind
我们扩展了以前的理论,随机离子加热占沿磁场的离子运动。假设随机加热是主要的离子加热机制,我们推导出一个解析表达式的离子质子垂直温度比在太阳风的任何离子种类。该表达式描述了该温度比如何取决于离子沿磁场方向的平均速度以及平行质子压力与磁压力的比率。我们比较我们的模型与以前发表的测量α粒子和质子的风航天器。我们发现,随机加热提供了一个很有前途的解释,这些测量时,分数交叉螺旋度和阿尔芬比在质子gyroradius尺度的值,是广泛一致的太阳风测量。
2013-07-30 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Determination of turbulent heating rate and relaxed states in finite Larmor radius magnetohydrodynamic turbulence with helicity barrier
Indian Institute of Technology Kanpur(印度坎普尔理工学院)
本文研究了有限兰姆半径磁流体动力学湍流中能量和广义螺旋度的 cascade 法律,揭示了强螺旋度失衡导致的 helicity 障碍,从而得出离子加热率的计算方法,并推导了松弛状态的特性。
2026-04-30 physics.plasm-ph physics.space-ph
Solar Wind Turbulence Around Mars: Relation Between The Energy Cascade Rate And The Proton Cyclotron Waves Activity
不可压缩的能量级联率在磁流体动力学(MHD)尺度的第一个估计是在等离子体上游的火星弓形激波,使用MAVEN观测和精确的关系推导出MHD湍流。能量级联率计算的事件与质子回旋波(PCW)活动,时间间隔时,MAVEN是在太阳风没有磁连接的弓激波。结果表明,当等离子体中存在PCW时,MHD尺度下的非线性能量级联被轻微放大。的归一化交叉螺旋度和剩余能量的湍流波动的分析表明,存在的Alfvénic和非Alfvénic波动的磁主导制度的大多数情况下。
2020-10-22 astro-ph.EP physics.plasm-ph physics.space-ph
Derivation of generalized Kappa distribution from scaling properties of solar wind magnetic field fluctuations at kinetic scales
本文通过尺度依赖Langevin方程解析推导出描述太阳风动力学尺度磁场涨落统计的主曲线,该主曲线是含尾部与不对称性双参数的广义Kappa分布,并经Parker Solar Probe和Cluster观测数据验证至5σ以上。
2024-09-03 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Compressible Turbulence in the Near-Sun Solar Wind: Parker Solar Probe's First Eight Perihelia
该研究利用Parker Solar Probe前八次近日点数据,分析低β近日太阳风中质子密度涨落与湍流马赫数的标度关系,并结合三维MHD模拟验证可压缩湍流特性。
2023-05-05 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Skew-Kappa distribution functions & whistler-heat-flux instability in the solar wind: the core-strahlo model
太阳风中的电子速度分布已知具有场向偏度,其特征在于存在次级粒子群,如晕和strahl。偏度可以为激发电磁不稳定性提供能量,例如哨声热通量不稳定性(WHFI),这可能在调节太阳风中的电子热通量方面发挥重要作用。在这里,我们使用动力学理论来分析WHFI的稳定性,在太阳风等离子体中的太阳风核心,晕和strahl电子被描述为两个分布的叠加:麦克斯韦核心,和另一个人口模型的Kappa分布的不对称项已被添加,代表晕和strahl。在考虑小偏度分布的情况下,我们求解了平行传播哨声模的色散关系,并研究了它在不同等离子体参数下的线性稳定性。我们的研究结果表明,WHFI可以在这个系统中发展,并提供这种不稳定性的稳定阈值,作为电子β和平行电子热通量的函数,与观测数据进行比较。然而,由于不同的等离子体状态,具有不同的稳定性水平的WHFI,可以有相同的时刻热通量值,它是偏斜度(即沿磁场的分布的不对称性),而不是热通量,不稳定性的最佳指标。因此,具有高热流的系统可以足够稳定到WHFI,因此不清楚不稳定性是否可以通过波粒相互作用有效地调节热流值。
2021-10-13 physics.plasm-ph physics.space-ph
Observations of Transition from Imbalanced to Balanced Kinetic Alfvénic Turbulence
Purple Mountain Observatory, Chinese Academy of Sciences(中国科学院紫金山天文台);Space Sciences Laboratory, University of California, Berkeley(加州大学伯克利分校空间科学实验室);Physics Department, University of California, Berkeley(加州大学伯克利分校物理系);School of Physics and Electronic Sciences, Changsha University of Science and Technology(长沙理工大学物理与电子科学学院);LPC2E, CNRS, CNES, University of Orléans(奥尔良大学CNRS/CNES LPC2E研究中心);International Space Science Institute (ISSI)(国际空间科学研究所);University of California, Berkeley(加州大学伯克利分校)
帕克太阳探测器观测到日风湍流中磁螺旋度的变化,揭示了动能阿伏伽德罗波从不均衡到平衡的过渡过程。
2026-02-04 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Diagnosing solar wind origins using in-situ measurements in the inner heliosphere
在行星际空间测量的单个太阳风包的太阳源的可靠识别仍然是一个悬而未决的问题。我们着手研究这个问题是否更容易解决,使用比1 AU更接近太阳的太阳风测量,其中不同太阳风流的混合和动力学相互作用减少。利用太阳神任务的测量结果,我们研究了质子核心温度各向异性和交叉螺旋度如何随距离而变化。在0.3天文单位处,有两个明显分离的各向异性和各向同性的太阳风种群,在1天文单位处无法区分。各向异性总体总是Alfvénic的,并且跨越很宽的速度范围。相比之下,各向同性的人口有缓慢的速度,并包含一个混合的Alfvénic风与恒定的质量通量,和非Alfvénic风与大和高度变化的质量通量。根据这些观测结果,我们将现场测量分为三类,并建议这些类别对应于起源于冕洞核心,活动区域或附近或冕洞边缘的风,以及小瞬变形成流光或伪流光。虽然我们的方法本身是简单的,它提供了一个新的工具,可以与其他方法相结合,用于确定帕克太阳探测器和太阳轨道器测量的太阳风的来源。
2018-11-20 astro-ph.SR physics.space-ph
First Observation of a Polar Coronal Hole-like Fast Solar Wind Stream in the Sub-Alfvénic Solar Corona: an Analysis of Turbulence Properties
University of Delaware(特拉华大学);Smithsonian Astrophysical Observatory–Harvard & Smithsonian(史密森天体物理台-哈佛与史密森学会)
帕克太阳探测器在亚阿尔文日冕中首次观测到极区冕洞状快速太阳风,发现其湍流已充分发展且高度不平衡,为太阳风湍流演化提供新约束。
2026-09-23 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Implementing turbulence transport in the CRONOS framework and application to the propagation of CMEs
我们提出的湍流输运方程的实施,除了在Cronos框架内的MHD方程的平均MHD。该模型是通过与早期的研究结果进行比较,然后将其扩展到适用于太阳风的区域,而不是高度超阿尔夫维尼。我们发现,相应的附加项导致绝对归一化的交叉螺旋度下降得更慢,而适当的实施的混合项,甚至可以导致增加交叉螺旋度的内日光层。模型扩展允许将模拟的内边界放置在更靠近太阳的位置,我们选择其位置为0.1 AU,以便将来应用于Wang-Sheeley-Arge模型。在这里,我们专注于通过注入日冕物质抛射(CME)的瞬态事件的湍流演化的影响。我们发现,陡峭的梯度和冲击与这些结构的结果在增强湍流水平和减少交叉螺旋。我们的结果现在可以直接用于研究带电高能粒子的传输,其中扩散张量的元素现在可以从自洽计算的太阳风湍流中受益。此外,我们发现,有没有强烈的反作用的湍流对大规模的流动,使CME研究集中在后者不需要扩展到包括湍流输运的影响。
2015-04-08 astro-ph.SR physics.space-ph
Kinetic wave activity and proton heating in 3D hybrid simulations of decaying balanced and imbalanced Alfvénic turbulence
The University of Texas at Austin(德克萨斯大学奥斯汀分校)
该研究通过三维混合模拟对比平衡与不平衡阿尔文湍流,发现交叉 helicity 是控制无碰撞湍流等离子体大尺度演化、动力学活动和能量耗散的关键参数,平衡湍流的能量耗散与质子加热更显著。
2026-10-09 physics.plasm-ph physics.space-ph
Modeling of Joint Parker Solar Probe - Metis/Solar Orbiter Observations
我们提出了联合帕克太阳探测器(PSP)-梅蒂斯/太阳轨道器(SolO)正交观测的第一个理论模型。综合观测描述了从扩展日冕($3.5-6.3$ R $_\odot$)到日光层内部(23.2 R $_\odot$)的缓慢太阳风等离子体包裹的演变。Metis/SolO仪器远程测量太阳风速度,测量范围为$96-201$公里$^{-1}$,PSP现场测量太阳风等离子体,观测径向速度为219.34公里$^{-1}$。我们从理论上和观测上发现,太阳风的速度在3.3 - 4 R $_\odot$范围内迅速加速,然后随距离的增加而逐渐增加。同样,我们发现理论太阳风密度与远程和现场观测的太阳风密度是一致的。PSP观测到的标准化交叉螺旋度和标准化剩余能量分别为0.96和-0.07,表明慢速太阳风具有很强的阿尔夫风性质。理论NI/板结果与PSP测量非常相似,这是高度磁场对齐的径向流的结果,确保PSP可以测量板波动而不是2D。最后,我们计算了理论二维和平板湍流压力,发现理论平板压力与PSP观测结果非常相似。
2022-06-27 astro-ph.SR physics.space-ph
Plasma Waves near the Electron Cyclotron Frequency in the near-Sun Solar Wind
基于帕克太阳探测器数据,研究近太阳太阳风中电子回旋频率附近的等离子体波,识别出静电哨声模波和电子伯恩斯坦波,并发现其与电子热通量调节及低湍流近径向磁场相关。
2024-04-21 astro-ph.SR physics.space-ph
Nature and Scalings of Density Fluctuations of Compressible MHD Turbulence with Applications to the Solar Wind
太阳风是一种磁化的、湍流的等离子体。它的湍流通常由阿尔夫维尼克波动主导,并且通常被认为在远离太阳的地方几乎不可压缩,如1AU附近的现场测量所示。然而,对于更靠近太阳的太阳风,等离子体$β$减小(通常低于1),而湍流马赫数$M_t$增加(可以接近1,例如,跨音速波动)。这些条件可能会产生明显更强的可压缩效应,其特征是密度波动增强,正如几次空间飞行任务所看到的那样。本文对湍流进行了一系列三维MHD模拟,以了解可压缩湍流的性质,特别是密度波动的产生。我们发现,在等离子体$β$、交叉螺旋度和多方指数的很宽的参数空间范围内,湍流密度涨落的尺度线性地作为$M_t$的函数,其尺度系数对参数的依赖性很弱.此外,通过详细的时空分析,我们表明,密度波动是由低频非线性结构,而不是可压缩MHD本征波。这些结果对于理解可压缩湍流如何有助于太阳附近的太阳风加热可能是重要的。
2022-07-19 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Imbalanced Turbulence Modified by Large-scale Velocity Shears in the Solar Wind
我们研究了太阳风等离子体中的大尺度速度切变如何改变太阳风湍流的不平衡程度。反向传播的阿尔夫维尼克波动之间的平衡,相互作用非线性产生的湍流,已被量化的交叉螺旋度和Elsasser比。在30分钟的时间尺度的速度剪切被确定,与线性Kelvin-Helmholtz(KH)的不稳定性阈值的剪切幅度定义。剪切与74行星际日冕物质抛射(ICME)鞘在1997年至2018年期间在1天文单位的风航天器观察。还分析了鞘上游和ICME喷出物下游的典型较弱剪切。在剪切低于KH阈值,不平衡是近似不变的或微弱的上升与剪切振幅。在KH阈值以上,随着剪切振幅的增加,波动趋于平衡状态。磁压缩性也被发现增加以上的KH阈值。这些研究结果是一致的速度剪切是当地的向阳波动,以减少净不平衡的antisunward方向的来源,并建议KH不稳定在这个过程中发挥了作用。
2023-03-07 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Residual Energy Spectrum of Solar Wind Turbulence
太阳风中速度和磁场涨落的能量并不均分,这一点早已为人们所知。在本文中,我们提出了一个分析5年的风数据在1 AU调查的原因。剩余能量(速度和磁场波动的能量之间的差异)计算使用标准磁流体动力学(MHD)归一化的磁场和动力学版本,其中包括温度各向异性和粒子种类之间的漂移。结果表明,在动力学归一化后,涨落更接近均分,平均归一化剩余能σ_r = -0.19,平均Alfven比rA = 0.71。在动力学归一化中,发现剩余能量的谱比速度和磁场谱都要陡,这与最近的一些MHD湍流预测和数值模拟一致,其谱指数接近-1.9。剩余能量和交叉螺旋度的局部性质也进行了研究,显示出全球平衡的间隔与小的剩余能量包含较大的不平衡和较大的剩余能量在所有尺度上的局部补丁,如预期的非线性湍流相互作用。
2013-04-29 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Large-scale Structure and Turbulence Transport in the Inner Solar Wind -- Comparison of Parker Solar Probe's First Five Orbits with a Global 3D Reynolds-averaged MHD Model
从全球磁流体动力学模型的日华和太阳风的模拟结果进行了比较帕克太阳探测器(PSP)的观测在其前五个轨道。全三维模型是基于与湍流输运方程耦合的平均流量方程。该模型包括电子热传导,库仑碰撞,湍流雷诺应力,并通过湍流级联加热质子和电子的影响。平均湍流能量,交叉螺旋度和相关长度的湍流传输方程求解同时与平均流方程。在日冕底部的边界条件指定使用太阳天气磁图。等离子体,磁场,和湍流参数沿PSP轨迹计算。将前五个轨道的数据汇总,以获得随日心距离变化的趋势。模拟结果与PSP数据的比较显示出良好的协议,特别是平均流参数。磁波动的合成分布的产生,由模型给出的局部均方根湍流振幅的约束。这种计算湍流的属性进行了比较与PSP的观测。
2021-07-24 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph