动力学阿尔文波湍流的理论研究

Satellite observations have shown that the kinetic Alfvén wave turbulence is ubiquitous in the solar wind and in the different kinds of the Earth's space environments, such as the magnetosphere, magnetotail and auroral zone. This kinetic Alfvén wave turbulence is a natural production of the anisotropic cascade process of the Alfvénic turbulence. Previous theoretic works for the kinetic Alfvén wave turbulence are mainly focus on the turbulence developed by the low-frequency and balanced Alfvén wavepackets. Based on the phenomenological analysis, spectral evolution model and two-point-closure theory, this project plans to model the kinetic Alfvén wave turbulence model for the frequency cascade from the low-frequency to high ion-cyclotron frequency and for the imbalanced turbulence case, and to study the problems of the turbulent spectral structure and the role of the damping effects of the kinetic Alfvén wave to the energy flux dissipation. The project is a significant scientific research and helpful in understanding the coexistence of the scale and frequency cascade character in the kinetic Alfvén wave turbulence and the cascade properties of the imbalanced turbulence, and in the application of the turbulent dissipation mechasnims to the problems of the plasma heating and particle acceleration in the solar-terrestrial space plasmas.

卫星观测结果表明动力学阿尔文波湍流广泛地存在于太阳风以及各种地球空间环境中，如磁层顶、磁尾和极光区等。湍流理论表明动力学阿尔文波湍流是阿尔文湍流的各向异性串级过程的自然产物。但是已有动力学阿尔文波湍流理论工作主要局限于讨论低频的和平衡的动力学阿尔文波湍流情况。 本项目计划结合唯象分析、谱演化模型和湍流的两点闭合理论，构建从低频延伸到离子回旋频率的动力学阿尔文波湍流模型以及非平衡的动力学阿尔文波湍流模型，着重分析湍流能谱结构和各种动力学阿尔文波阻尼机制在湍流能流耗散中的作用。 该项研究不仅可加深理解动力学阿尔文波湍流中尺度和频率同时串级的性质和非平衡湍流的串级行为，而且可将湍流耗散机制直接应用到日地空间等离子体中重要的等离子体加热和粒子加速问题上。

阿尔文波湍流经常在太阳风、地球磁层顶、磁尾和极光区等日地空间环境中被观测到。动力学阿尔文波湍流是阿尔文湍流各向异性串级的自然产物。已有动力学阿尔文波湍流研究主要局限于讨论低频和平衡波包假设下的湍流。本项目主要研究阿尔文波湍流中的频率串级和非平衡湍流，具体内容有：（1）构建从低频延伸到离子回旋频率的动力学阿尔文波湍流唯象模型；（2）研究非平衡动力学阿尔文波湍流特性，分析能谱和物理量尺度分布特征；（3）研究产生阿尔文波湍流的基本阿尔文波非线性方程，讨论阿尔文波非线性作用机制。.本项目在以下三方面取得重要结果。（1）揭示了一般频率阿尔文波和阿尔文波湍流特征。给出了一般尺度和频率阿尔文波的色散关系和电磁偏振的解析表达式，发现阿尔文波可在动力学尺度从频率低于离子回旋频率处延伸到频率高于离子回旋频率。构建了强阿尔文波湍流唯象模型，首次提出了阿尔文波湍流可以激发高频动力学阿尔文波，发现间歇性结构更有益于高频阿尔文波的激发。（2）提出非平衡阿尔文波湍流的发展过程为弱MHD湍流、中间MHD湍流、强MHD湍流和强动力学阿尔文波湍流的新图像，给出了不同湍流态中的能谱形式。（3）首先提出一个阿尔文波非局域相互作用机制，磁流体尺度阿尔文波直接激发动力学尺度阿尔文波和慢波。给出了阿尔文波非线性衰减的一般图像，发现随着波垂直尺度减小，衰减控制机制分别为阿尔文波向阿尔文波和慢波的标量衰减、阿尔文波向阿尔文波和慢波的矢量衰减、以及阿尔文波向阿尔文波的矢量衰减。.本项目揭示了动力学阿尔文波湍流在频率串级和非线性波波作用方式上的新特征，促进了阿尔文波湍流理论的向前发展。利用本项目理论结果，解释了动力学尺度太阳风湍流谱指数非普适性分布 [-2.5, -3.1] 、日冕中阿尔文波快速耗散的观测现象，加深了对日地空间等离子体中阿尔文波和阿尔文波湍流激发和演化问题的认识。