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空间中心科研人员与合作者揭示日球层阿尔芬性湍流的能量串级过程

文章来源: | 发布时间:2023-12-06 | 【打印】【关闭】
  湍流现象随处可见,湍流的存在使得原本规则有序的世界变得混沌。湍流被看成是非线性世界的典型代表,著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼曾将湍流称为“经典物理学中最后一个尚未解决的重要问题”。而在日球层空间以及更广袤的宇宙中也广泛存在磁化等离子体湍流,因其呈现出阿尔芬波的极化特性,又称为阿尔芬性湍流。阿尔芬性湍流可以加热和加速太阳风,调制日-地以及太阳-行星空间天气活动,被认为是塑造日球层的关键因素之一。此外,等离子体湍流对星际云的坍缩、恒星形成、宇宙射线的产生和加速、宇宙背景辐射等也有着深远的影响。  
  关于阿尔芬性湍流研究的难点和争议是能量如何在不同尺度间传递(串级/级联)。学术界主流的观点是双向阿尔芬波()的碰撞作用导致湍流能量串级。双向阿尔芬波在日球层中分别是外传(远离太阳传播)的阿尔芬波和内传(向着太阳传播)的阿尔芬波。基于这样的主流观点,学术界一直致力于寻找内传阿尔芬波的存在性及探究其作用。然而至今没有找到双向波动同时存在并相互作用的明确证据,阿尔芬性湍流是如何将能量从大尺度传递到小尺度的、对动理学尺度耗散如何提供能量,至今尚存争论。
  面对这一基础性物理问题,中国科学院国家空间科学中心太阳活动与空间天气重点实验室冯学尚研究员团队的杨利平副研究员与北京大学的何建森教授以及国内外合作者,综合飞船探测、数值模拟和理论分析三种研究手段,从三个层面剖析发现阿尔芬性湍流存在三个“非传统观点”的新特征行为,即非双向阿尔芬波碰撞、非临界平衡串级、非一致幂律谱(如图1), 从而揭示日球层阿尔芬性湍流的物理本质和串级过程。相关研究成果于2023年12月2日在线发表于Nature Communications (《自然·通讯》)杂志上。
图1 提出描述日球层阿尔芬性湍流能量串级的新概念。有别于传统观点,从三个层面认为阿尔芬性湍流能量串级具有三个新特征行为。第一个层面是“非双向阿尔芬波碰撞”,特别是关于的本质的剖析:不是反向传播的阿尔芬波,而是伴生的同传异常扰动。第二个层面是“非临界平衡串级”,即控制演化的是线性传播项(大于非线性作用项),控制演化的是非线性作用项(大于线性项)。第三个层面是“非一致幂律谱”特征,塑造幂律功率谱(谱指数为-5/3)的是尺度局域性的非线性串级作用,塑造幂律功率谱(谱指数为-1)的是尺度非局域性的非线性串级作用。
  研究团队分析了帕克太阳探针(PSP)在近日点附近对原初太阳风的探测,获得了阿尔芬性湍流典型特征,并将其作为衡量湍流数值模型结果的基准。随后,利用四维时空的模拟数据,研究团队开展了类似“第一性原理分析”,发现非线性项导致是沿着一个方向以阿尔芬速传播(如图2),由此揭示不是反向传播的阿尔芬波,而是一种新发现的、伴生的“同传异常扰动”。最后,研究团队通过波矢动力学分析对串级尺度局域性这一基本问题进行了探讨,发现对于外传阿尔芬波,能量串级是由相邻波数的扰动完成,即满足尺度局域性。但是,对于同传异常扰动〖δZ〗^-,能量串级是需要大尺度扰动参与,不满足尺度局域性。基于此研究团队对模拟和观测中不同的谱指数提供了合理的理论解释。
图2 帕克太阳探针飞船(PSP)在近日点探测原初太阳风的模拟图示以及原初太阳风中阿尔芬性湍流的数值模拟。(A) PSP (金黄色的飞船模型)在轨道近日点附近穿越原初太阳风(用太阳风数密度着色)朝向太阳(用径向磁场分量Br着色)观测;(B) 帕克太阳探针位于模拟的阿尔芬性湍流中。湍动着色为Els?sser主变量扰动的强度(〖δZ〗^+),随机箭头阵列代表Els?sser扰动矢量(分布;(C和D)的时空切片图;(E 和 F) 的时空自相关分析。其中,黑色虚线代表阿尔芬波的传播速度。
  该项研究揭示出日球层阿尔芬性湍流能量串级的新机制,即阿尔芬波和伴生的同传异常扰动各自主要通过尺度局域性和非局域性(大尺度)的非线性相互作用使得能量从大尺度传递到小尺度,更新了对太阳风湍流能量串级过程的认识,对于进一步理解湍动如何影响太阳风加热加速、空间天气、日球层塑造等有重要意义。
  行星际闪烁(IPS)是指致密射电点源辐射在行星际空间传播时,被太阳风湍流的密度不规则体所散射,在观测上形成的射电强度的快速随机起伏现象。该项研究成果对解释我国子午工程二期行星际闪烁监测射电望远镜项目(简称IPS项目)的科学数据也有重要参考价值。
  该项研究工作得到国家自然科学基金、科技部重点研发计划项目、国家重大科技基础设施子午工程二期项目的支持。
  文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-023-43273-4。 
  受邀在Nature Portfolio and Springer Nature Communities发表的宣传海报为:https://communities.springernature.com/posts/toward-understanding-energy-transfer-of-imbalanced-alfvenic-turbulence-in-the-heliosphere。
  (供稿:天气室)