磁化等离子体湍流固有的三维特性

人们常常断言或隐含地假设（却无正当理由）关于等离子体湍流的二维研究结果适用于感兴趣的三维等离子体环境。本文应用投影方法推导了两个标量方程，用以控制理想不可压缩磁流体动力学 (MHD) 等离子体湍流中 Alfvenic 分量和伪 Alfvenic 分量的非线性演化。这些方程的数学形式清晰地揭示了等离子体湍流固有的三维特性，使得能够分析常用于研究等离子体湍流的二维极限的非线性性质。在磁化等离子体系统中自然出现的各向异性极限 $k_\perp \gg k_\parallel$ 下，垂直二维极限保留了仅由 Alfvenic 涨落介导的主导非线性项，但缺乏与线性项相关的波动物理，而后者对于捕捉湍流能量的各向异性级联是必要的。在平面内二维极限下，非线性能量转移转而由伪 Alfven 波控制，Alfven 波则沦为被动角色。在斜向二维极限下，连接波矢量分量的不可避免的方位角依赖性可能会导致所得湍流动力学中出现人为的方位角不对称性。因此，这些二维极限均不足以完全捕捉对等离子体湍流演化至关重要的丰富三维非线性动力学。