低 beta 等离子体中由湍流导致的离子与电子加热之约束

研究表明，在低 beta、弱碰撞等离子体中——例如日冕、太阳风的某些情形、极光、吸积盘内区及其日冕，以及一些实验室等离子体——Alfv\'en 涨落在回旋动力学近似下不产生离子加热，即只要其振幅（在 Larmor 尺度上）较小且频率低于离子 Larmor 频率（即便其空间尺度可高于或低于离子 Larmor 尺度）。因此，此类等离子体中的所有低频离子加热均源于压缩涨落（“慢模”）。由于这些涨落在惯性区就已与 Alfv\'en 涨落能量退耦，上述结论意味着低 beta 等离子体中离子与电子间的能量分配在湍流发起的外尺度上便已决定，并可由相关天体物理系统的磁流体力学（MHD）模型确定。任何额外的离子加热必来自非回旋动力学机制，如回旋加热或源于离子 Larmor 轨道畸变的随机加热。这些结论的一个例外出现在 Hall 极限，即离子与电子温度之比低至离子 beta（等价地，电子 beta 为 1 量级）。在此 regime 中，慢模在远高于 Larmor 尺度处（即在离子惯性或离子声尺度）与 Alfv\'en 涨落耦合，于是 Alfv\'en 与压缩级联汇合，随后又分离为两类在线性上类似动力学 Alfv\'en 波与离子回旋波的涨落级联，前者加热电子，后者加热离子。我们证明了这两类级联退耦，推导了它们的标度律，并从物理上论证两物种将以近似相等的速率被它们加热。