湍流現(xiàn)象隨處可見，湍流的存在使得原本規(guī)則有序的世界變得混沌。湍流被看成是非線性世界的典型代表，著名物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德 費(fèi)曼曾將湍流稱為“經(jīng)典物理學(xué)中最后一個(gè)尚未解決的重要問題”。而在日球?qū)涌臻g以及更廣袤的宇宙中也廣泛存在磁化等離子體湍流，因其呈現(xiàn)出阿爾芬波的極化特性，又稱為阿爾芬性湍流。阿爾芬性湍流可以加熱和加速太陽(yáng)風(fēng)，調(diào)制日-地以及太陽(yáng)-行星空間天氣活動(dòng)，被認(rèn)為是塑造日球?qū)拥年P(guān)鍵因素之一。此外，等離子體湍流對(duì)星際云的坍縮、恒星形成、宇宙射線的產(chǎn)生和加速、宇宙背景輻射等也有著深遠(yuǎn)的影響。  

　　關(guān)于阿爾芬性湍流研究的難點(diǎn)和爭(zhēng)議是能量如何在不同尺度間傳遞(串級(jí)/級(jí)聯(lián))。學(xué)術(shù)界主流的觀點(diǎn)是雙向阿爾芬波( 和 )的碰撞作用導(dǎo)致湍流能量串級(jí)。雙向阿爾芬波在日球?qū)又蟹謩e是外傳(遠(yuǎn)離太陽(yáng)傳播)的阿爾芬波和內(nèi)傳(向著太陽(yáng)傳播)的阿爾芬波?；谶@樣的主流觀點(diǎn)，學(xué)術(shù)界一直致力于尋找內(nèi)傳阿爾芬波的存在性及探究其作用。然而至今沒有找到雙向波動(dòng)同時(shí)存在并相互作用的明確證據(jù)，阿爾芬性湍流是如何將能量從大尺度傳遞到小尺度的、對(duì)動(dòng)理學(xué)尺度耗散如何提供能量，至今尚存爭(zhēng)論。

　　面對(duì)這一基礎(chǔ)性物理問題，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心太陽(yáng)活動(dòng)與空間天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室馮學(xué)尚研究員團(tuán)隊(duì)的楊利平副研究員與北京大學(xué)的何建森教授以及國(guó)內(nèi)外合作者，綜合飛船探測(cè)、數(shù)值模擬和理論分析三種研究手段，從三個(gè)層面剖析發(fā)現(xiàn)阿爾芬性湍流存在三個(gè)“非傳統(tǒng)觀點(diǎn)”的新特征行為，即非雙向阿爾芬波碰撞、非臨界平衡串級(jí)、非一致冪律譜(如圖1), 從而揭示日球?qū)影柗倚酝牧鞯奈锢肀举|(zhì)和串級(jí)過程。相關(guān)研究成果于2023年12月2日在線發(fā)表于Nature Communications (《自然 通訊》)雜志上。

圖1 提出描述日球?qū)影柗倚酝牧髂芰看?jí)的新概念。有別于傳統(tǒng)觀點(diǎn)，從三個(gè)層面認(rèn)為阿爾芬性湍流能量串級(jí)具有三個(gè)新特征行為。第一個(gè)層面是“非雙向阿爾芬波碰撞”，特別是關(guān)于 的本質(zhì)的剖析：不是反向傳播的阿爾芬波，而是伴生的同傳異常擾動(dòng)。第二個(gè)層面是“非臨界平衡串級(jí)”，即控制 演化的是線性傳播項(xiàng)(大于非線性作用項(xiàng))，控制 演化的是非線性作用項(xiàng)(大于線性項(xiàng))。第三個(gè)層面是“非一致冪律譜”特征，塑造 冪律功率譜(譜指數(shù)為-5/3)的是尺度局域性的非線性串級(jí)作用，塑造 冪律功率譜(譜指數(shù)為-1)的是尺度非局域性的非線性串級(jí)作用。

　　研究團(tuán)隊(duì)分析了帕克太陽(yáng)探針(PSP)在近日點(diǎn)附近對(duì)原初太陽(yáng)風(fēng)的探測(cè)，獲得了阿爾芬性湍流典型特征，并將其作為衡量湍流數(shù)值模型結(jié)果的基準(zhǔn)。隨后，利用四維時(shí)空的模擬數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)開展了類似“第一性原理分析”，發(fā)現(xiàn)非線性項(xiàng)導(dǎo)致 和 是沿著一個(gè)方向以阿爾芬速傳播(如圖2)，由此揭示 不是反向傳播的阿爾芬波，而是一種新發(fā)現(xiàn)的、伴生的“同傳異常擾動(dòng)”。最后，研究團(tuán)隊(duì)通過波矢動(dòng)力學(xué)分析對(duì)串級(jí)尺度局域性這一基本問題進(jìn)行了探討，發(fā)現(xiàn)對(duì)于外傳阿爾芬波 ，能量串級(jí)是由相鄰波數(shù)的擾動(dòng)完成，即滿足尺度局域性。但是，對(duì)于同傳異常擾動(dòng)〖 Z〗^-，能量串級(jí)是需要大尺度擾動(dòng)參與，不滿足尺度局域性?；诖搜芯繄F(tuán)隊(duì)對(duì)模擬和觀測(cè)中 和 不同的譜指數(shù)提供了合理的理論解釋。

圖2 帕克太陽(yáng)探針飛船(PSP)在近日點(diǎn)探測(cè)原初太陽(yáng)風(fēng)的模擬圖示以及原初太陽(yáng)風(fēng)中阿爾芬性湍流的數(shù)值模擬。(A) PSP (金黃色的飛船模型)在軌道近日點(diǎn)附近穿越原初太陽(yáng)風(fēng)(用太陽(yáng)風(fēng)數(shù)密度著色)朝向太陽(yáng)(用徑向磁場(chǎng)分量Br著色)觀測(cè)；(B) 帕克太陽(yáng)探針位于模擬的阿爾芬性湍流中。湍動(dòng)著色為Els？sser主變量擾動(dòng)的強(qiáng)度(〖 Z〗^+)，隨機(jī)箭頭陣列代表Els？sser擾動(dòng)矢量( 和 分布；(C和D) 和的時(shí)空切片圖；(E 和 F)  和 的時(shí)空自相關(guān)分析。其中，黑色虛線代表阿爾芬波的傳播速度。

　　該項(xiàng)研究揭示出日球?qū)影柗倚酝牧髂芰看?jí)的新機(jī)制，即阿爾芬波和伴生的同傳異常擾動(dòng)各自主要通過尺度局域性和非局域性(大尺度)的非線性相互作用使得能量從大尺度傳遞到小尺度，更新了對(duì)太陽(yáng)風(fēng)湍流能量串級(jí)過程的認(rèn)識(shí)，對(duì)于進(jìn)一步理解湍動(dòng)如何影響太陽(yáng)風(fēng)加熱加速、空間天氣、日球?qū)铀茉斓扔兄匾饬x。

　　行星際閃爍(IPS)是指致密射電點(diǎn)源輻射在行星際空間傳播時(shí)，被太陽(yáng)風(fēng)湍流的密度不規(guī)則體所散射，在觀測(cè)上形成的射電強(qiáng)度的快速隨機(jī)起伏現(xiàn)象。該項(xiàng)研究成果對(duì)解釋我國(guó)子午工程二期行星際閃爍監(jiān)測(cè)射電望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目（簡(jiǎn)稱IPS項(xiàng)目）的科學(xué)數(shù)據(jù)也有重要參考價(jià)值。

　　該項(xiàng)研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施子午工程二期項(xiàng)目的支持。

　　文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-43273-4。 

　　受邀在Nature Portfolio and Springer Nature Communities發(fā)表的宣傳海報(bào)為：https://communities.springernature.com/posts/toward-understanding-energy-transfer-of-imbalanced-alfvenic-turbulence-in-the-heliosphere。

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