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实验室科研人员发现地球向阳侧磁鞘区等离子体湍流能谱指数的空间演化特征

2020年08月10日 星期一 10:28:48

湍流在空间等离子体中的物质交换、能量耗散以及粒子加热等过程中扮演着十分基础且重要的作用 。太阳风湍流本质上是一种多尺度非线性相互作用现象,具体表现为等离子体的各个物理参数(如电磁场、密度和速度等)的随机无规则扰动。在观测中,各物理参数扰动的功率谱(power spectral density)在频率域上呈现为跨越几乎整个可探测频段的几段宽频的幂律能谱结构。幂律可以反映出湍流与尺度无关(scale-independent)的物理过程,因此研究幂律谱结构是了解湍流特性的重要的手段之一。

超声速的太阳风在与行星磁层相互作用过程中会在行星的上风方向形成无碰撞激波,等离子体在日下点区域经过激波后被显著地减速到亚声速,在侧翼区又恢复到超声速状态。不同于传统太阳风湍流的研究,磁鞘等离子体为我们研究太阳风湍流从被激波减速后的亚声速状态重新转变为超声速状态提供了一个天然的实验室。前人研究表明,磁鞘湍流特性与太阳风湍流有一定的相似性,如大尺度下的-1和-5/3的Kolmogorov幂律谱、亚离子尺度的-2.8的幂律谱以及电子尺度更陡的幂律谱被一系列的磁鞘观测研究证实。然而,磁鞘区由于其独特的边界特征(如激波和磁层顶)以及高度不均匀的等离子体分布,湍流扰动在磁鞘区不同位置处呈现出不同的观测特征。截止到目前,尚无一项研究完整地讨论过磁场、离子密度及速度谱指数在磁鞘区的空间演化特征。MHD(磁流体力学)尺度以及亚离子尺度的等离子体和磁场扰动的联合分析以及磁鞘区不同位置处的湍流空间分布特性对进一步理解此区域等离子体湍流的产生和演化具有非常重要的意义。

近日,空间天气学国家重点实验室王赤院士团队的李晖研究员与蒋文策博士生等合作者一起,基于MMS(磁层多尺度任务)卫星2015年-2019年的高时间分辨率数据,统计分析了MHD尺度和亚离子尺度的磁场和等离子体扰动功率谱指数在向阳侧地球磁鞘区内的二维空间演化特征。他们发现:(1)从磁鞘区亚声速的日下点附近(MA<1) 到超声速侧翼区(MA>5),磁场扰动PSD与离子速度扰动PSD谱指数分别随着当地的阿尔芬马赫数 (MA)的变化而呈正相关和反相关。(2)从弓激波附近((Mturb>0.4) 到磁层顶附近 (Mturb<1),磁场、离子密度和速度扰动PSD谱指数均随着湍动马赫数 (Mturb)的减小而与其呈现显著的相关性。另外,还发现磁场和速度扰动PSD拐点频率也增加了0.1 Hz,而密度扰动PSD的拐点频率则保持在0.3Hz左右。最后,他们进一步结合上游太阳风参数的分析,发现上游太阳风的速度和行星际磁场的Z分量均对湍流谱指数的空间演化规律无显著的影响,表明磁鞘区湍流大尺度演化特征一定程度上是独立于上游太阳风参数影响的。

该项研究首次对地球磁鞘区磁场和等离子体扰动谱指数进行了联合统计分析,清晰地给出了从日下点到侧翼区以及从弓激波到磁层顶附近的MHD尺度以及亚离子尺度的湍流谱指数的空间演化特性及与其相关的特征物理量,并给出了其独立于上游太阳风参数影响的证据,为我们更好地理解磁鞘区湍流特性提供了新的认识。本论文发表在在本领域著名的学术期刊The Astrophysical Journal Letters上。

文章链接:

Hui Li, Wence Jiang, Chi Wang, Daniel Verscharen, Chen Zeng, C. T. Russell, B. Giles, and J. L. Burch, Evolution of the Earth's Magnetosheath Turbulence: A Statistical Study Based on MMS Observations, 2020, ApJL, 898, 2. (https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aba531)



图一,磁鞘湍流谱指数从日下点到侧翼区的空间演化特性。(a)阿尔芬马赫数在GSE-XY平面上的二维分布;(b)和(c)分别代表磁场扰动PSD在MHD尺度以及在亚离子尺度的谱指数随阿尔芬马赫数的分布,颜色代表了地方时;类似地,(d)-(e)以及(f)-(g)分别代表了离子密度和速度扰动PSD谱指数随阿尔芬马赫数的分布。

图二,磁鞘湍流谱指数从弓激波到磁层顶的空间演化特性。(a)湍动马赫数在GSE-XY平面上的二维分布;(b)和(c)分别代表磁场扰动PSD在MHD尺度以及在亚离子尺度的谱指数随湍动马赫数的分布,颜色代表了地方时;类似地,(d)-(e)以及(f)-(g)分别代表了离子密度和速度扰动PSD谱指数随湍动马赫数的分布。

 

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