磁鞘湍动在离子尺度到亚电子尺度的三波合成：动力论阿尔芬波 + 哨声波 + 离子声波

posted by on Tue, 08/07/2019 - 05:11

位于弓激波下游的磁鞘湍动是研究空间和天文等离子体湍动的理想区域。湍动在离子和电子尺度的特征和行为，决定了湍动的能量耗散方式和粒子的加热方式。从离子尺度到亚电子尺度的湍动本质如何，是一个重要的研究问题，也是本工作的研究动机。本工作利用MMS卫星高精度、高时间分辨率的数据，研究了七个典型的磁鞘湍动事件，探讨这些湍动事件从离子尺度(~1Hz)到亚电子尺度(~1000Hz)的波模性质，展示了新的观测结果。并利用双流体理论，首次对不同波模的不同类型能量占比及其随尺度的变化进行定量分析。

本工作发现：

  1. 不同事件磁场功率谱在1～30Hz范围呈现相同的幂律谱，在30Hz附近（大约为电子惯性尺度）开始出现分叉并在1000Hz（大约为电子回旋频率）左右聚合。
  2. 电场功率谱在亚离子尺度同样存在近似幂律谱，在800Hz附近存在突起。
  3. 通过对观测数据的波模诊断分析，认为在1-30Hz由动力学阿尔芬波（Kinetic Alfvén Wave, KAW）主导。哨声波（Whistler Wave, WW）引起了磁场功率谱在大于30Hz的突起，而离子声波（Ion Acoustic Wave, IAW）引起了电场功率谱在大于30Hz的突起。

 

进一步地，作者利用双流体理论，对三种波模能量占比进行定量分析。作者得到（如下表所示）：

  1. 垂直磁场扰动在<30Hz主要由KAW贡献，在>30Hz主要由WW贡献；
  2. 平行磁场扰动和垂直电场扰动在整个频率范围都主要由KAW贡献；
  3. 平行电场扰动在整个频率范围都主要由IAW贡献；

 

研究工作近期以题为“Composition of Wave Modes in Magnetosheath Turbulence from Sub-ion to Sub-electron Scales“发表在《The Astrophysical Journal》上。朱星宇（第一作者、北京大学）、何建森（通讯作者, 北京大学）、Daniel Verscharen（英国伦敦大学学院）、赵金松（中科院紫金山天文台）为文章的作者。研究工作受到国家自然科学基金创新群体项目、面上项目、英国STFC Ernest Rutherford Fellowship的资助。

文章链接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ab1be7