湍流在空間等離子體中的物質(zhì)交換、能量耗散以及粒子加熱等過(guò)程中發(fā)揮著十分基礎(chǔ)且重要的作用。太陽(yáng)風(fēng)湍流本質(zhì)上是一種多尺度非線性相互作用現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為等離子體的各個(gè)物理參數(shù)（如電磁場(chǎng)、密度和速度等）的隨機(jī)無(wú)規(guī)則擾動(dòng)。在觀測(cè)中，各物理參數(shù)擾動(dòng)的功率譜(power spectral density)在頻率域上呈現(xiàn)為跨越幾乎整個(gè)可探測(cè)頻段的幾段寬頻的冪律能譜結(jié)構(gòu)。冪律譜可以反映出湍流與尺度無(wú)關(guān)(scale-independent)的物理過(guò)程，因此研究湍流的冪律譜結(jié)構(gòu)是了解湍流特性的重要手段之一。

　　超聲速的太陽(yáng)風(fēng)在與行星磁層相互作用過(guò)程中會(huì)在行星的上風(fēng)方向形成無(wú)碰撞激波，等離子體在日下點(diǎn)區(qū)域經(jīng)過(guò)激波后被顯著地減速到亞聲速，在側(cè)翼區(qū)又恢復(fù)到超聲速狀態(tài)。不同于傳統(tǒng)太陽(yáng)風(fēng)湍流的研究，磁鞘等離子體為研究太陽(yáng)風(fēng)湍流從被激波減速后的亞聲速狀態(tài)重新轉(zhuǎn)變?yōu)槌曀贍顟B(tài)提供了一個(gè)天然的實(shí)驗(yàn)室。之前的研究表明，磁鞘湍流特性與太陽(yáng)風(fēng)湍流有一定的相似性，如大尺度下的-1和-5/3的Kolmogorov冪律譜、亞離子尺度的-2.8的冪律譜以及電子尺度更陡的冪律譜已被一系列的磁鞘觀測(cè)研究證實(shí)。然而，磁鞘區(qū)由于其獨(dú)特的邊界特征（如激波和磁層頂）以及高度不均勻的等離子體分布，湍流擾動(dòng)在磁鞘區(qū)不同位置處呈現(xiàn)出不同的觀測(cè)特征。截止到目前，尚無(wú)一項(xiàng)研究完整地討論過(guò)磁場(chǎng)、離子密度及速度譜指數(shù)在磁鞘區(qū)的空間演化特征。MHD尺度以及亞離子尺度的等離子體和磁場(chǎng)擾動(dòng)的聯(lián)合分析以及磁鞘區(qū)不同位置處的湍流空間分布特性對(duì)進(jìn)一步理解此區(qū)域等離子體湍流的產(chǎn)生和演化具有非常重要的意義。  

　　近日，空間天氣學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王赤院士團(tuán)隊(duì)的李暉研究員與蔣文策博士生等合作者一起，基于MMS衛(wèi)星2015至2019年的高時(shí)間分辨率數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析了MHD尺度和亞離子尺度的磁場(chǎng)和等離子體擾動(dòng)功率譜指數(shù)在向陽(yáng)側(cè)地球磁鞘區(qū)內(nèi)的二維空間演化特征。他們發(fā)現(xiàn)：（1）從磁鞘區(qū)亞聲速的日下點(diǎn)附近(M_A<1)到超聲速側(cè)翼區(qū)(M_A>5)，磁場(chǎng)擾動(dòng)PSD與離子速度擾動(dòng)PSD譜指數(shù)分別隨著當(dāng)?shù)氐陌柗荫R赫數(shù)(M_A)的變化而呈正相關(guān)和反相關(guān)。（2）從弓激波附近(M_turb>0.4)到磁層頂附近(M_turb<1)，磁場(chǎng)、離子密度和速度擾動(dòng)PSD譜指數(shù)均隨著湍動(dòng)馬赫數(shù)(M_turb)的減小而與其呈現(xiàn)顯著的相關(guān)性。另外，還發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)和速度擾動(dòng)PSD拐點(diǎn)頻率也增加了0.1Hz，而密度擾動(dòng)PSD的拐點(diǎn)頻率則保持在0.3Hz左右。最后，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步結(jié)合上游太陽(yáng)風(fēng)參數(shù)的分析，發(fā)現(xiàn)上游太陽(yáng)風(fēng)的速度和行星際磁場(chǎng)的Z分量均對(duì)湍流譜指數(shù)的空間演化規(guī)律無(wú)顯著的影響，表明磁鞘區(qū)湍流大尺度演化特征一定程度上是獨(dú)立于上游太陽(yáng)風(fēng)參數(shù)影響的。 

　　該項(xiàng)研究首次對(duì)地球磁鞘區(qū)磁場(chǎng)和等離子體擾動(dòng)譜指數(shù)進(jìn)行了聯(lián)合統(tǒng)計(jì)分析，清晰地給出了從日下點(diǎn)到側(cè)翼區(qū)以及從弓激波到磁層頂附近的MHD尺度以及亞離子尺度的湍流譜指數(shù)的空間演化特性及與其相關(guān)的特征物理量，并給出了其獨(dú)立于上游太陽(yáng)風(fēng)參數(shù)影響的證據(jù)，為更好地理解磁鞘區(qū)湍流特性提供了新的認(rèn)識(shí)。論文發(fā)表在在本領(lǐng)域著名學(xué)術(shù)期刊The Astrophysical Journal Letters上。   

　　文章鏈接： 

　　Hui Li, Wence Jiang, Chi Wang, Daniel Verscharen, Chen Zeng, C. T. Russell, B. Giles, and J. L. Burch, Evolution of the Earth's Magnetosheath Turbulence: A Statistical Study Based on MMS Observations, 2020, ApJL, 898, 2. (https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aba531 ) 

　　圖一：磁鞘湍流譜指數(shù)從日下點(diǎn)到側(cè)翼區(qū)的空間演化特性。(a)阿爾芬馬赫數(shù)在GSE-XY平面上的二維分布；(b)和(c)分別代表磁場(chǎng)擾動(dòng)PSD在MHD尺度以及在亞離子尺度的譜指數(shù)隨阿爾芬馬赫數(shù)的分布，顏色代表了地方時(shí)；類(lèi)似地，(d)-(e)以及(f)-(g)分別代表了離子密度和速度擾動(dòng)PSD譜指數(shù)隨阿爾芬馬赫數(shù)的分布。 　　  

　　圖二：磁鞘湍流譜指數(shù)從弓激波到磁層頂?shù)目臻g演化特性。(a)湍動(dòng)馬赫數(shù)在GSE-XY平面上的二維分布；(b)和(c)分別代表磁場(chǎng)擾動(dòng)PSD在MHD尺度以及在亞離子尺度的譜指數(shù)隨湍動(dòng)馬赫數(shù)的分布，顏色代表了地方時(shí)；類(lèi)似地，(d)-(e)以及(f)-(g)分別代表了離子密度和速度擾動(dòng)PSD譜指數(shù)隨湍動(dòng)馬赫數(shù)的分布。