太阳风湍流在太阳风中广泛存在，具有与流体湍流类似的三个分区结构，分别为大尺度含能区、中尺度惯性区和小尺度耗散区。能量从大尺度含能区注入，经过中尺度惯性区的非线性串级传输过程，到达小尺度耗散区进行耗散，从而加热加速太阳风。太阳风湍流的非线性串级传输过程在太阳风加速加热这一前沿课题中具有重要的地位。如果在溪流平缓处缓慢搅动，我们能够观察到水中形成涡旋。在溪流湍急处不断地迅速搅动，我们能够观察到水中形成很多不同尺度的涡旋。搅拌相当于在水中注入大尺度能量，由于溪流湍急惯性强，水流的黏性力不足以耗散搅拌能量，大尺度涡旋不稳定而而破碎，形成较小尺度的涡旋，较小尺度的涡旋进一步破碎，形成更小尺度的涡旋，直到小尺度（耗散区）耗散。这种现象就是湍流，这种大尺度涡旋逐级破碎成小涡旋的过程就是能量串级过程。太阳风中也具有类似的湍流现象。那么，太阳风湍流中的涡旋形态是否如同流体湍流中的涡旋一样，是三维各向异性且不随尺度变化的呢？
近年来，学术界流行的磁流体湍流理论是临界平衡串级理论和动态对齐理论。这些理论都认为由于受到行星际磁场的作用，太阳风湍流中的涡旋形态是二维或三维各向异性的，且随着尺度变化，各向异性加剧。湍流中的涡旋是一种相关结构，因此涡旋形态边界应当定义为同一相关函数系数所对应的长度，即自相关函数等值线。然而，前人利用这一定义，分析研究了在沿着磁场方向轴对称的假设下，一小时尺度的磁场和速度的涡旋形态，发现它们都是二维各向同性的。北京大学地球与空间科学学院涂传诒院士团队将前人对二维自相关函数等值线的分析扩展到三维空间，提出了自相关函数三维等值面的构建方法，利用Wind卫星在太阳风中的观测数据，并将之等分为时长为1小时的数据段。统计分析这些数据段，研究团队首次给出了自相关函数的三维等值面，发现磁场涡旋和速度涡旋都是三维各向同性的。研究团队进而使用时长为半小时和十分钟的数据段进行了相同的分析，结果表明，磁场涡旋和速度涡旋的三维各向同性基本不随着时间尺度变化。这些观测结果表明目前流行的磁流体湍流理论——临界平衡串级理论和动态对齐理论——都不适用于太阳风湍流，促进发展描述太阳风湍流的新模型，并给出了新的约束条件。
磁流体湍流串级理论中，还有一个重要的参数是功率谱指数。临界平衡串级模型认为在波矢平行磁场方向和波矢垂直磁场方向，探测的扰动功率谱指数分别为-2和-5/3，是各向异性的。以往针对太阳风湍流的谱各向异性的观测研究给出了不一致的结果。用整个时段平均得到的磁场作全局背景磁场，挑选小扰动振幅的数据（从而数据满足平稳随机性），由快速傅立叶变换得到平行探测的磁场功率谱指数接近-5/3，不支持临界平衡串级模型。而用随尺度变化的时段平均得到的磁场作局地背景磁场，用结构函数指数来计算扰动功率谱指数，得到磁场功率谱指数接近-2，支持临界平衡串级模型。
研究团队分析了观测上不同方法带来的结果不同这一问题，发现在太阳风中存在起源于太阳大气的传输结构，这些结构不仅带来相对于太阳分湍动更大的磁场扰动，也使得磁场时间序列不满足平稳随机条件，从而不能够作为局地背景磁场来确定探测方向。然而，在以往采用结构函数分析方法的工作中，并没有考虑到这些结构带来的影响，因而其谱指数各向异性的结果不能代表太阳风湍流的真实观测结果。为了避免传输结构引起的观测数值的变化混入到太阳风湍流的观测分析之中，研究团队首次在计算结构函数时，保证了用于计算局地背景磁场的时间序列是平稳随机的，并提出了平稳随机性的判定条件：将数据时段一分为二后分别平均，得到的两个平均磁场之间的夹角小于10度。应用Wind卫星在太阳风高速流中的观测数据，采用去除传输结构影响的结构函数分析方法，本项研究首次得到了功率谱指数是各向同性的这一结果，发现在垂直和平行磁场的方向上，磁场的功率谱指数都接近-5/3，与时段平均全局方法的结果一致，解决了多年来存在的结构函数方法与时段平均方法得到的平行扰动功率谱指数不同的问题，两种方法得到的功率谱指数都不支持临界平衡串级模型在太阳风湍流中的应用。本项研究的结果为新磁流体串级模型的创建提供了约束条件。
北京大学地球与空间科学学院涂传诒院士（通讯作者）、博士生吴红红（第一作者）、何建森研究员、王玲华研究员、北京航空航天大学王新副教授等人组成的团队，首次构建了三维自相关函数等值面，用以分析研究太阳风湍流涡旋的形态特征，并考察了涡旋形态随尺度的变化，发现磁场等值面和速度等值面都是三维各向同性的，且基本不随着尺度变化；发现去除了传输结构影响后，结构函数指数是各向同性的。这些结果都不支持用临界平衡串级理论描述太阳风湍流。三维涡旋形态构建的相关成果发表于The Astrophysical Journal （天体物理杂志），三维涡旋形态随尺度变化的相关成果发表于The Astrophysical Journal Letter（天体物理杂志-通讯）。传输结构对谱指数各向异性研究的影响相关成果发表于The Astrophysical Journal （天体物理杂志）。
文章信息：
Wu, Honghong, Tu, Chuanyi and Wang, Xin and He, Jiansen and Wang, Linghua (2019), 3D Feature of Self-correlation Level Contours at 1010 cm Scale in Solar Wind Turbulence, The Astrophysical Journal, 882, 21, doi:10.3847/1538-4357/ab334a.
Wu, Honghong, Tu, Chuanyi and Wang, Xin and He, Jiansen and Wang, Linghua (2019), Dependence of 3D Self-correlation Level Contours on the Scales in the Inertial Range of Solar Wind Turbulence, The Astrophysical Journal Letter, 883, L9, doi:10.3847/2041-8213/ab3fb1.
Wu, Honghong, Tu, Chuanyi and Wang, Xin and He, Jiansen and Yang, Liping and Wang, Linghua (2020), Isotropic Scaling Features Measured Locally in the Solar Wind Turbulence with Stationary Background Field, The Astrophysical Journal, 892, 138, doi:10.3847/1538-4357/ab7b72.
