等離子體湍流能量傳輸?shù)某叨认嚓P(guān)性

楊 艷, 萬(wàn)敏平, Valentini Francesco, Matthaeus William H, 史一蓬, 陳十一

(1. 南方科技大學(xué), 廣東深圳 518055; 2. 卡拉布里亞大學(xué)物理系, 意大利科森扎 87036; 3. 特拉華大學(xué)物理與天文系, 美國(guó)特拉華州紐瓦克 19716; 4. 北京大學(xué), 北京 100871)

引 言

湍流普遍存在于空間等離子體中, 如太陽(yáng)日冕不斷向外膨脹從而形成的等離子體流——太陽(yáng)風(fēng), 就呈現(xiàn)出湍流特征[1-4]. 等離子體湍流的高度非線性, 使其包含多尺度 (含能尺度區(qū)、慣性尺度區(qū)、耗散尺度區(qū)、離子尺度、電子尺度、Debye長(zhǎng)度等)及多過(guò)程相互作用. 尺度間的能量級(jí)串是湍流研究中一個(gè)十分重要的概念, 能量從大尺度逐級(jí)向小尺度傳遞, 直至達(dá)到某一足夠小的尺度, 能量通過(guò)黏性、電阻作用耗散成熱. 基于以上物理圖像, 學(xué)者們提出利用能量級(jí)串建立太陽(yáng)風(fēng)加熱與太陽(yáng)風(fēng)湍流發(fā)展之間的關(guān)系[5]. 衛(wèi)星觀測(cè)發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)風(fēng)從日冕向行星際空間膨脹的過(guò)程不是絕熱膨脹冷卻的過(guò)程[6], 高溫太陽(yáng)風(fēng)加熱機(jī)制是空間物理學(xué)的關(guān)鍵前沿課題之一. 此外, 恒星際、星系際間存在有超高能的粒子(宇宙線), 而關(guān)于粒子如何加速至高能是長(zhǎng)期未得到解決的問(wèn)題之一. 等離子體湍流耗散作為一種引起粒子加熱加速的機(jī)制, 具有重要作用. 顯然, 對(duì)等離子體湍流能量傳輸和耗散過(guò)程的研究有助于理解空間中的許多物理現(xiàn)象.

通過(guò)尺度l的能流率是能量傳輸過(guò)程中最基本的量, 能量在無(wú)窮大Reynolds數(shù)下的慣性區(qū)的傳輸是守恒的, 這意味著能流是常數(shù). 值得注意的是, 這里的能流率指的是凈……