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空間中心發現地球向陽側磁鞘區等離子體湍流能譜指數的空間演化特征

2020-08-14 國家空間科學中心
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  湍流在空間等離子體的物質交換、能量耗散以及粒子加熱等過程中發揮作用。太陽風湍流本質上是一種多尺度非線性相互作用現象,具體表現為等離子體的各個物理參數(如電磁場、密度和速度等)的隨機無規則擾動。觀測中,各物理參數擾動的功率譜(power spectral density)在頻率域上呈現為跨越幾乎整個可探測頻段的幾段寬頻的冪律能譜結構。冪律譜可以反映出湍流與尺度無關(scale-independent)的物理過程,因此研究其結構是了解湍流特性的重要手段之一。

  超聲速的太陽風與行星磁層相互作用過程中,會在行星的上風方向形成無碰撞激波,等離子體在日下點區域經過激波后被減速到亞聲速,在側翼區又恢復到超聲速狀態。與傳統太陽風湍流的研究不同,磁鞘等離子體為研究太陽風湍流從被激波減速后的亞聲速狀態重新轉變為超聲速狀態提供一個天然實驗室。磁鞘湍流特性與太陽風湍流有相似性,如大尺度下的-1和-5/3的Kolmogorov冪律譜、亞離子尺度的-2.8的冪律譜以及電子尺度更陡的冪律譜已被磁鞘觀測研究證實。然而,磁鞘區由于其獨特的邊界特征(如激波和磁層頂)以及高度不均勻的等離子體分布,湍流擾動在磁鞘區不同位置處呈現出不同的觀測特征。目前,尚無研究完整地討論過磁場、離子密度及速度譜指數在磁鞘區的空間演化特征。MHD尺度、亞離子尺度的等離子體和磁場擾動的聯合分析,以及磁鞘區不同位置處的湍流空間分布特性對理解此區域等離子體湍流的產生和演化具有重要意義。

  近日,中國科學院空間科學與應用研究中心空間天氣學國家重點實驗室院士王赤團隊的研究員李暉與博士生蔣文策等,基于MMS衛星2015年至2019年的高時間分辨率數據,統計分析MHD尺度、亞離子尺度的磁場和等離子體擾動功率譜指數在向陽側地球磁鞘區內的二維空間演化特征。研究發現:(1)從磁鞘區亞聲速的日下點附近(MA<1)到超聲速側翼區(MA>5),磁場擾動PSD與離子速度擾動PSD譜指數分別隨著當地的阿爾芬馬赫數(MA)的變化而呈正相關和反相關;(2)從弓激波附近(Mturb>0.4)到磁層頂附近(Mturb<1),磁場、離子密度和速度擾動PSD譜指數均隨湍動馬赫數(Mturb)的減小而與其呈現顯著的相關性。此外,磁場和速度擾動PSD拐點頻率增加0.1Hz,密度擾動PSD的拐點頻率則保持在0.3Hz左右。研究團隊結合上游太陽風參數的分析,發現上游太陽風的速度和行星際磁場的Z分量均對湍流譜指數的空間演化規律無顯著的影響,表明磁鞘區湍流大尺度演化特征在一定程度上獨立于上游太陽風參數影響。

  該研究首次對地球磁鞘區磁場和等離子體擾動譜指數進行聯合統計分析,給出從日下點到側翼區、從弓激波到磁層頂附近的MHD尺度和亞離子尺度的湍流譜指數的空間演化特性,以及與其相關的特征物理量,給出其獨立于上游太陽風參數影響的證據,為理解磁鞘區湍流特性提供新的認識。論文以Evolution of the Earth's Magnetosheath Turbulence: A Statistical Study Based on MMS Observations為題發表在The Astrophysical Journal Letters上。

  論文鏈接 

  圖1.磁鞘湍流譜指數從日下點到側翼區的空間演化特性。(a)阿爾芬馬赫數在GSE-XY平面上的二維分布;(b)和(c)分別代表磁場擾動PSD在MHD尺度以及在亞離子尺度的譜指數隨阿爾芬馬赫數的分布,顏色代表地方時;(d)-(e)以及(f)-(g)分別代表離子密度和速度擾動PSD譜指數隨阿爾芬馬赫數的分布。

  圖2.磁鞘湍流譜指數從弓激波到磁層頂的空間演化特性。(a)湍動馬赫數在GSE-XY平面上的二維分布;(b)和(c)分別代表磁場擾動PSD在MHD尺度以及在亞離子尺度的譜指數隨湍動馬赫數的分布,顏色代表地方時;(d)-(e)以及(f)-(g)分別代表離子密度和速度擾動PSD譜指數隨湍動馬赫數的分布。

打印 責任編輯:侯茜

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