快速磁声波湍流动力学

快速磁声波是天体等离子体中最基本的振荡模式之一。为研究其动力学，我们对描述一组弱非线性快速磁声波能谱演化的湍流动力学方程进行数值模拟。该湍流动力学方程涉及三波相互作用，最近由 Galtier (2023) 基于可压缩磁流体力学在 low-$\beta$ 极限下推导得出。该方程拥有精确的平稳解，即 Kolmogorov-Zakharov 能谱，对应直接能量级联。本文对该动力学方程进行自由衰减模拟，并提出 Kolmogorov 式现象学以解释能量和积分长度尺度的时序衰减规律。在强迫模拟中，我们表明该级联实际上由前向级联（反向传播的波）和后向级联（同向传播的波）组成，前者占优势。径向方向上发现 Kolmogorov-Zakharov 能谱 $k^{-3/2}$，并呈现由于幅值导致的各向异性，这取决于相对于强均匀磁场的角度。我们给出 Kolmogorov-Zakharov 常数的解析表达式，并在高雷诺数极限下进行数值验证。我们的研究为日食风暴等离子体中的观测现象提供了理论解释（Zhao 等人 2022），其中识别出了快速磁声波的弱湍流 regime，以及强 Alfv\'en 波湍流中的临界平衡 regime。