Turbulence in the Solar Wind

این کتاب یک نمای کلی از تلاطم باد خورشیدی از منظر نظری و مشاهده ای ارائه می دهد. این استدلال می کند که محیط بین سیاره ای بهترین فرصت را برای مطالعه مستقیم نوسانات آشفته در پلاسماهای بدون برخورد ارائه می دهد. در واقع، در طول انبساط، باد خورشیدی به سمت حالتی تکامل می‌یابد که با نوسانات دامنه بزرگ در تمام پارامترهای مشاهده‌شده مشخص می‌شود، که حداقل در مقیاس‌های بزرگ، شبیه تلاطم هیدرودینامیکی شناخته شده است.

این متن شروع می‌شود. با ارجاعات تاریخی به مشاهدات و آزمایش های گذشته بر روی جریان های متلاطم. سپس معادلات ناویر-استوکس را برای یک پلاسمای مغناطیسی معرفی می‌کند که تکامل تلاطم فرکانس پایین آن در چارچوب تقریب MHD توصیف شده است. همچنین مقیاس‌بندی نوسانات پلاسما و میدان مغناطیسی و مطالعه آبشارهای انرژی غیرخطی را در چارچوب یکسان در نظر می‌گیرد. این گزارش مشاهداتی از تلاطم در دایره البروج و در عرض جغرافیایی بالا را گزارش می دهد و نوسانات آلفونیک و فشاری را به طور جداگانه بررسی می کند تا انتقال جرم، تکانه و انرژی در طول انبساط را توضیح دهد. علاوه بر این، مدل‌های موجود با مشاهدات مستقیم در هلیوسفر مقایسه می‌شوند.

مشکل نوسانات خود مشابه و غیرعادی در باد خورشیدی سپس با استفاده از ابزارهای ارائه شده توسط نظریه سیستم دینامیکی و بر اساس مدل ها و مشاهدات موجود مورد بحث قرار گرفته است. این کتاب مشاهدات قانون Yaglom در تلاطم باد خورشیدی را برجسته می‌کند، که یکی از مهم‌ترین یافته‌ها در تلاطم کاملاً توسعه‌یافته است و مستقیماً با مشکل طولانی‌مدت و هنوز حل نشده گرمایش پلاسمای باد خورشیدی مرتبط است.

در نهایت. ، شامل فصل کوتاهی است که به محدوده جنبشی نوسانات اختصاص داده شده است، که اخیراً توجه بیشتری از سوی جامعه پلاسمای فضایی شده است، زیرا این موضوع ذاتاً به اتلاف انرژی آشفته و در نتیجه گرمایش پلاسما مربوط می شود. این به ویژه بر ماهیت و نقش نوسانات پر از این محدوده فرکانس تمرکز دارد و چندین پیش‌بینی مدل و یافته‌های مشاهده‌ای اخیر را در این زمینه مورد بحث قرار می‌دهد.

This book provides an overview of solar wind turbulence from both the theoretical and observational perspective. It argues that the interplanetary medium offers the best opportunity to directly study turbulent fluctuations in collisionless plasmas. In fact, during expansion, the solar wind evolves towards a state characterized by large-amplitude fluctuations in all observed parameters, which resembles, at least at large scales, the well-known hydrodynamic turbulence.

This text starts with historical references to past observations and experiments on turbulent flows. It then introduces the Navier-Stokes equations for a magnetized plasma whose low-frequency turbulence evolution is described within the framework of the MHD approximation. It also considers the scaling of plasma and magnetic field fluctuations and the study of nonlinear energy cascades within the same framework. It reports observations of turbulence in the ecliptic and at high latitude, treating Alfvénic and compressive fluctuations separately in order to explain the transport of mass, momentum and energy during the expansion. Further, existing models are compared with direct observations in the heliosphere.

The problem of self-similar and anomalous fluctuations in the solar wind is then addressed using tools provided by dynamical system theory and discussed on the basis of available models and observations. The book highlights observations of Yaglom’s law in solar wind turbulence, which is one of the most important findings in fully developed turbulence and directly related to the long-lasting and still unsolved problem of solar wind plasma heating.

Lastly, it includes a short chapter dedicated to the kinetic range of fluctuations, which has recently been receiving more attention from the space plasma community, since this is inherently related to turbulent energy dissipation and consequent plasma heating. It particularly focuses on the nature and role of the fluctuations populating this frequency range, and discusses several model predictions and recent observational findings in this context.