北京大学地球与空间科学学院博士生吴红红（第一作者、通讯作者）、何建森研究员、英国伦敦大学学院穆拉德空间科学实验室Daniel Verscharen博士、Robert Wicks博士、Georgios Nicolaou博士、英国伦敦玛丽女王大学物理与天文学院Christopher Chen博士在国际学术期刊The Astrophysical Journal （天体物理杂志）上发表了题为“The Fluid-like and Kinetic Behavior of Kinetic Alfvén Turbulence in Space Plasma”的文章。本文工作发现在无碰撞的空间等离子体中，如果存在湍流，即使在很小的尺度下，等离子体会表现出流体行为。这一发现为进一步理解湍流中发生的物理过程提供了新的视角，也证实了用流体模型研究等离子体物理的可行性。
等离子体是具备电中性的完全或者部分电离的气体或液体，其运动主要受电磁力支配。等离子体可以近似由磁流体力学方程描述，也可以用动力学方程描述。人们通常认为流体理论不适用描述小于离子回旋尺度（绕磁场旋转的半径）的等离子体现象，因为在这么小的尺度处，离子由于电磁力的作用不能再保持在一个流体元当中。而动力学理论则没有这个问题。因此，人们普遍预期，真实的空间等离子体观测将会更适用于用动力学理论描述。
空间等离子体中是近似无碰撞的。在太阳风湍流中，已经发现了很多动力学阿尔芬波存在的证据，说明在离子尺度处，等离子体中具有动力学阿尔芬波的性质。地球磁鞘中也发现了类似的特征。本文工作使用双流体理论和无碰撞动力学理论，分别给出了动力学阿尔芬波在离子尺度处的密度、速度和压强与磁场的极化关系随等离子体参数的变化。同时使用MMS卫星在地球磁鞘中的观测数据，统计得到密度、速度和压强与磁场随等离子体参数的变化的观测结果。将观测结果与理论预期相比较，本工作发现，观测结果更接近流体理论的预期。这说明，在湍流背景下，无碰撞空间等离子体在离子尺度处表现出流体行为。这一结果，有力地支持了用磁流体模型研究等离子体物理的正当性。数值模拟中，用磁流体理论比动力学理论计算速度快很多，效率更高。
等离子体平行速度变化与磁场变化的比值随等离子体参数的变化
为什么会在离子尺度处表现出流体行为呢？有两种可能的解释。一是由于空间等离子体中偏离流体元的粒子运动会驱动不稳定性，从而将造成粒子偏离的能量转化，流体元仍然得以保持。二是空间等离子体湍流中能量从大尺度传递到小尺度这一过程可能会压制粒子在速度空间中偏离流体元的行为，导致在离子尺度上，流体方程仍然能够用以描述等离子体现象。进一步研究这一现象产生的原因将促进人们理解空间等离子体湍流过程。
文章信息：
Wu, Honghong, Verscharen, Daniel and Wicks, Robert T. and Chen, Christopher H. K. and He, Jiansen and Nicolaou, Georgios (2019), The Fluid-like and Kinetic Behavior of Kinetic Alfvén Turbulence in Space Plasma, The Astrophysical Journal, 870, 106, doi:10.3847/1538-4357/aaef77.
