太阳风湍流在二维波矢空间分布特征的观测研究

A fundamental issue in the study of solar wind turbulence is to understand the anisotropy of it. The observed power spectrum anisotropy was considered as being consistent with the presence of the “critical balance” type cascade in the solar wind turbulence. However, the duration of the intervals in which the background magnetic field keeps parallel to the solar wind velocity is too short to produce a power spectrum in the inertial region. In order to solve this problem, people introduced a scale- and time-dependent local background magnetic field (local B0) when calculating the turbulent spectra. In each scale, they rearranged the wavelet coefficients according to the local B0, and consider the mean of these coefficients as the average power, and then obtained the anisotropic spectra. But in this process, the observed data cannot be seen as a stationary and random function of time. In our work, the intervals which can satisfy the stationary and random conditions will be selected to further study the distribution of solar wind turbulence in 2-D wavevector space. We will use the magnetic field and plasma data measured by WIND spacecraft to find the time series with constant local B0 and with duration much longer than the correlation time. For each time series, the power spectrum and correlation function will be calculated. Statistically we can obtain the 2-d wavevector-space distribution of the spectrum and correlation function, and find out if the anisotropy still exists. This work will provide new clues on the origin of the turbulence anisotropy. It will also help us further understand the components of solar wind fluctuations.

太阳风湍流的各向异性是指湍流特性随背景磁场方向的变化而变化，它是太阳风湍流研究中的重要课题，被认为可以证实太阳风湍流中存在临界平衡串级。然而，由于背景磁场方向保持与太阳风速度方向平行的时段较少，使得计算平行情况下的谱存在一定困难。为了克服这一困难，近年来人们提出了随时间和尺度变化的局地背景磁场的概念，并按照局地背景磁场的方向把不同时间的小波谱揉和在一起求平均，就得到各向异性的湍流谱。但是这一过程不能保证数据是平稳随机的。本工作计划挑选满足平稳随机的观测时段，重新研究太阳风湍流在二维波矢空间中的分布特征。我们将从WIND卫星20年的数据中，寻找满足局地背景磁场不随时间变化和观测时长>5倍的相关时间这两个条件的时段，对每一时段计算功率谱和相关函数，并从它们在二维波矢空间中的分布看各向异性是否仍然存在。这一工作将为揭示湍流各向异性的起源提供新线索，并帮助人们进一步弄清楚太阳风湍流扰动的组成成分。

背景：太阳风湍流的串级机制是太阳风研究领域的重要课题。太阳风湍流磁场谱在惯性区的斜率被观测到随着局地背景磁场方向变化，即表现出各向异性。小波功率谱被按照局地背景磁场的方向进行重新排列，不同时间的功率谱被揉和在一起求平均，得到了各向异性的湍流谱。这一观测结果被广泛认为是太阳风湍流中存在临界平衡串级的观测证据。然而，上述观测分析中未考虑观测数据是否符合平稳随机过程的问题。我们早期工作还发现磁场谱的各向异性也可能由间歇结构导致。..主要研究内容：本工作选择满足平稳随机条件的时段，重新进行谱斜率各向异性的分析。我们所使用的太阳风湍流中的平稳随机过程要求：（1）局地背景磁场不随时间变化；（2）观测时长大于5 倍的相关时间。再对每个时段逐个进行快速傅里叶变换得到谱斜率。另外，我们首次给出了平行和垂直采样时，磁场扰动振幅的大小随着尺度的变化，用于验证临界平衡串级的假设条件在太阳风中是否适用。我们还采用更严格的标准定义平行和垂直时刻，要求局地背景磁场在每个小波窗口中基本保持不变，并重新研究了太阳风湍流谱的各向异性。..结果：当选取随机平稳过程的时段研究磁场谱在惯性区的斜率在二维波矢的分布时，我们发现平行方向和垂直方向的谱斜率不存在明显差异，各向异性弱。而且我们从太阳风湍流中没有找到符合临界平衡串级理论假设条件的观测证据。..意义：以上观测结果不能用临界平衡串级来解释。这一工作也为揭示太阳风湍流各向异性的起源提供了新线索。因此我们需要新的串级理论和更多的观测数据来研究太阳风湍流的串级机制。