太阳风湍流离子尺度上的谱拐点及湍流耗散机制的观测研究

The dissipation process in the solar wind turbulence is considered to be the energy source of the solar wind heating. However, the dissipation mechanisms remain under debate. The power spectrum of magnetic fluctuations has a break at the high-frequency end of the inertial range. Beyond this break, the magnetic spectrum becomes steeper than the Kolmogorov law f^-5/3. The spectral break could be resulted from a sharply decrease of the energy cascade flux and hence is considered to give important clues on the turbulence dissipation mechanisms. Previous studies have shown the correlation between the spectral break frequency and several ion-kinetic scales (e.g., ion inertial length di, gyroradius ρi, and cyclotron resonance scale ri). But the correlation coefficients of them are not significantly different, and are not helpful for determining the dissipation mechanism. We have analyzed the beta dependence of the spectral break normalized to di and i in plasma beta (β) range 0.1-1.3 (Wang et al. 2018, JGR, 123, 68). It was found that the ratio between the break frequency and fdi is nearly constant and not dependent on β. Thus the result was favorable to dissipation mechanisms associated with di in the β range of interest. In this project, we plan to extend our study to full β range (0.005<β<20), and to investigate the full-range β dependence of the normalized break frequencies at different conditions of the solar wind. We will also compare our observational result with numerical simulation and the prediction by ion cyclotron resonance theory. These results will help us understand the energy dissipation process in the solar wind turbulence.

太阳风湍流的耗散机制是困扰学界的重要问题。通常认为湍流串级把大尺度的能量传递到小尺度，最终通过耗散为太阳风加热提供能源。能量耗散开始的尺度由湍流谱拐点对应的频率fb表征。因此对拐点的研究将提供湍流耗散机制的重要线索。以往的研究集中在考察fb与等离子体各种特征尺度(如惯性长度、回旋半径和回旋共振尺度)的相关性，但结果表明它们的相关性差别不显著，不能帮助确定耗散机制。我们(Wang et al. 2018)首次基于观测数据在0.1<β<1.3范围内分别考察了以惯性长度和回旋半径对应频率归一化的fb随等离子体β值的变化，发现两者差别显著，表明惯性长度能独立唯一地确定fb。在此基础上，本项目计划将归一化拐点频率的研究推广到全β范围(0.005<β<20)，进而研究在不同太阳风参数条件下，fb随β的变化，并与数值模拟和理论模型比较，从而找到fb变化的控制因素，为太阳风湍流耗散机制的研究提供重要线索。

项目背景：太阳风的加热机制一直是日球层物理学界的前沿科学问题。太阳风具有磁流体湍流的特性，是天然的磁流体湍流实验室。湍流串级过程可把大尺度的能量传递到小尺度，最终通过耗散达到加热效果，可能为太阳风加热提供能源。然而其中的能量串级和耗散机制仍不清楚，太阳风湍流特性也有待进一步深入研究。..主要研究内容：本项目主要围绕能量串级和能量耗散的关键科学问题展开，并深入探究了不同太阳风条件下的湍流扰动本质。（一）在串级方面，本项目首次给出了在不同时间尺度上太阳风湍流中二维和三维的自相关函数等值面，探索涡旋形态及其随尺度的变化；（二）在耗散加热方面，本项目观测研究了在0.3au-5au的不同径向距离上，低频拐点扫频能量供应率和质子垂直加热率及冯卡门衰减率随径向距离的变化；（三）在湍流扰动特性方面，本项目观测研究了不同径向距离上太阳风中的磁场扰动和速度扰动的特性，通过比较阿尔芬特性及扰动振幅的变化特征，揭示了太阳风的扰动特性。..研究结果：（一）在串级方面，首次给出了太阳风湍流中二维和三维的自相关函数等值面在不同时间尺度上都具有准各向同性特征。这一结果不支持临界平衡串级模型在太阳风湍流中的应用。此结果也被模拟工作证实；（二）在耗散加热方面，发现无论在低速流，还是高速流中，低频拐点扫频能量供应率和质子垂直加热率及冯卡门衰减率都吻合，这表明随着太阳风向外膨胀，通过低频拐点扫频的方式能量从含能区注入惯性区，且该能量足以支持太阳风质子加热所需；（三）在湍流扰动特性方面，发现在0.3au以内和1au处，低速流中的扰动主要为磁场速度平行结构。..科学意义：由以上观测和模拟结果，我们初步给出太阳风湍流新模型的雏形：太阳风湍流能量串级由流体力学串级机制控制的，磁场的作用可能不显著，且太阳风湍流能量耗散过程由回旋共振机制控制。太阳风湍流在径向向外传输的过程中是发展的，且太阳风湍流的发展和太阳风能量耗散和加热过程密切相关。