关于空间等离子体湍流在离子和亚离子尺度的耗散率谱的研究

To quantitatively analyze the physical processes of space plasma turbulence, three types of “rate” are required to be measured, which refer to the energy injection rate, energy cascading rate, and energy dissipation rate. Furthermore, to learn the scale dependence of the rates is necessary for the identification of key characteristics of turbulence, e.g., the range of inertial cascading, the onset scale of dissipation, and so on. However, to date, it remains a blank as to the “energy dissipation rate spectrum”, which is directly related with the heating and energization of particles. The high-quality measurements of electric field and current density from the MMS make it possible to conduct the study of “dissipation rate spectrum of turbulence energy”. Before making observational analysis, it is necessary to theoretically explore the characteristics of dissipation rate spectrum. For example, which kind of reference frame shall we consider for the fluctuating electric field to be substituted into the dissipation rate spectrum formula? What is the relation between directional dissipation and directional heating, as well as their relation with different resonances, e.g., Landau/transit-time resonance and cyclotron resonance? How is the dissipated energy partitioned among various particle species? After the theoretical studies, we plan to design and benchmark test a novel method, which is dedicated to the dissipation spectrum analysis of the MMS measurements. The dissipation rate spectrum and its underlying heating mechanism in the magnetosheath and solar wind turbulence is hopefully to be revealed by applying the method to the MMS observational data.

定量研究空间等离子体湍流的物理过程，需测量三个“率”，即能量的注入率、串级率、耗散率，而且需了解这三个“率”随尺度的变化特征，从而识别出串级惯性区的范围、耗散区的起始尺度等特征。迄今为止，和加热/能化直接关联的“能量耗散率谱”仍然是一个空白，成为湍流定量研究的关键难题。MMS对电场和电流的高质量的探测，使得开展这方面的研究成为可能。在开展观测分析之前，有必要先进行理论的探索，比如：关于湍流的耗散率谱公式里的扰动电场应该选择哪个参考系？垂直方向、平行方向的耗散率谱分别和垂直加热、平行加热存在什么关联和异同，分别和朗道/渡越时间共振、回旋共振有什么联系？耗散率谱在不同粒子种类是如何分配的？有了理论探索之后，面对MMS的探测特点，将开展分析方法的设计和验证。最后把新方法应用到MMS对磁鞘和太阳风湍流的高精度的观测分析中，以期给出空间等离子体湍流的耗散率谱，并揭示其对磁鞘和太阳风粒子的能化特征。

项目的背景是空间湍流的探测和研究正在成为国际深空空间物理探测的前沿热点之一。主要的研究内容包括：（1）研究如何测量空间湍流的能量转换率频谱，研究能量转换率频谱对不同粒子种类、不同方向的物理含义；（2）研究空间湍流的间歇性特征能否用统一的模型进行描述，湍流间歇性与磁重联之间的关系，湍流间歇性的能量转换特征；（3）研究空间湍流在近地太阳风和内日球层太阳风的成分、传播特征、各向异性、增长率/耗散率谱、及其与太阳风源区活动之间的关系。项目取得如下主要的研究成果：（a）提出了测量空间湍流的能量转换率谱的公式，并建立和验证了相应的测量方法，明确了不同粒子种类、不同方向所涉及的能量转换率的物理含义。（b）创建了定量描述湍流间歇特征的数学模型，解释了空间湍流间歇单分形和多分形差异的原因，统计了湍流间歇结构中的磁重联事件，揭示磁重联的能量转换率在磁鞘湍流的能量转换率中不占主导地位。（c）建立空间湍流多波模成分的分解和识别方法，揭示内日球层湍流中磁流体力学波的成分占比，传播特征从大尺度的准平行向外传播到小尺度的准垂直传播转变，提出定量分析内日球层动理学波动的色散关系和演化趋势的方法，模拟阐明太阳风源区的导向场间断的交换磁重联能够激发阿尔芬波并预测其向外传播形成磁折回阿尔芬脉冲。项目研究成果的科学意义和应用前景有：创建的耗散率谱的测量计算方法是有效的、可用的，可以在将来更广泛的应用到不同的空间等离子体环境中的波动/湍动的耗散或增长的研究中。创建的定量描述湍流间歇统计特征的统一数学模型，可用于包括空间湍流在内的广泛湍流场景的间歇分析中。所揭示的湍流阿尔芬脉冲的可能起源机制，为太阳普遍发生交换磁重联小尺度活动和日球层太阳风的阿尔芬脉冲建立了物理上的联系，提升了太阳和日球层物理在太阳风湍流起源与演化方向的认知水平。