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、諾貝爾獎獲得者理查德 費曼曾將湍流稱為“經(jīng)典物理學(xué)中最后一個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風(fēng)，調(diào)制日-地以及太陽-行星空間天氣活動，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和爭議是能量如何在不同尺度間傳遞(串級/級聯(lián))。學(xué)術(shù)界主流的觀點是雙向阿爾芬波( 和 )的碰撞作用導(dǎo)致湍流能量串級。雙向阿爾芬波在日球?qū)又蟹謩e是外傳(遠(yuǎn)離太陽傳播)的阿爾芬波和內(nèi)傳(向著太陽傳播)的阿爾芬波?；谶@樣的主流觀點，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同時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、對動理學(xué)尺度耗散如何提供能量，至今尚存爭論。

　　面對這一基礎(chǔ)性物理問題，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心太陽活動與空間天氣重點實驗室馮學(xué)尚研究員團(tuán)隊的楊利平副研究員與北京大學(xué)的何建森教授以及國內(nèi)外合作者，綜合飛船探測、數(shù)值模擬和理論分析三種研究手段，從三個層面剖析發(fā)現(xiàn)阿爾芬性湍流存在三個“非傳統(tǒng)觀點”的新特征行為，即非雙向阿爾芬波碰撞、非臨界平衡串級、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壍男赂拍?。有別于傳統(tǒng)觀點，從三個層面認(rèn)為阿爾芬性湍流能量串級具有三個新特征行為。第一個層面是“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。第二個層面是“非臨界平衡串級”，即控制 演化的是線性傳播項(大于非線性作用項)，控制 演化的是非線性作用項(大于線性項)。第三個層面是“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作用。

　　研究團(tuán)隊分析了帕克太陽探針(PSP)在近日點附近對原初太陽風(fēng)的探測，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，利用四維時空的模擬數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊開展了類似“第一性原理分析”，發(fā)現(xiàn)非線性項導(dǎo)致 和 是沿著一個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”。最后，研究團(tuán)隊通過波矢動力學(xué)分析對串級尺度局域性這一基本問題進(jìn)行了探討，發(fā)現(xiàn)對于外傳阿爾芬波 ，能量串級是由相鄰波數(shù)的擾動完成，即滿足尺度局域性。但是，對于同傳異常擾動〖 Z〗^-，能量串級是需要大尺度擾動參與，不滿足尺度局域性。基于此研究團(tuán)隊對模擬和觀測中 和 不同的譜指數(shù)提供了合理的理論解釋。

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

　　該項研究揭示出日球?qū)影柗倚酝牧髂芰看壍男聶C制，即阿爾芬波和伴生的同傳異常擾動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，更新了對太陽風(fēng)湍流能量串級過程的認(rèn)識，對于進(jìn)一步理解湍動如何影響太陽風(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)是指致密射電點源輻射在行星際空間傳播時，被太陽風(fēng)湍流的密度不規(guī)則體所散射，在觀測上形成的射電強度的快速隨機起伏現(xiàn)象。該項研究成果對解釋我國子午工程二期行星際閃爍監(jiān)測射電望遠(yuǎn)鏡項目（簡稱IPS項目）的科學(xué)數(shù)據(jù)也有重要參考價值。

　　該項研究工作得到國家自然科學(xué)基金、科技部重點研發(fā)計劃項目、國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施子午工程二期項目的支持。

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

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

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