Turbulent Regimes in Collisions of 3D Alfvén-wave Packets

Abstract

Abstract Using three-dimensional gyrofluid simulations, we revisit the problem of Alfvén-wave (AW) collisions as building blocks of the Alfvénic turbulent cascade and their interplay with magnetic reconnection at magnetohydrodynamic (MHD) scales. Depending on the large-scale value of the nonlinearity parameter χ 0 (the ratio between the AW linear propagation time and nonlinear turnover time), different regimes are observed. For strong nonlinearities ( χ 0 ∼ 1), turbulence is consistent with a dynamically aligned, critically balanced cascade—fluctuations exhibit a scale-dependent alignment <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mi>sin</mml:mi> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>θ</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>k</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>⊥</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo>∝</mml:mo> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mi>k</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>⊥</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo stretchy="true">/</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mn>4</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math> , resulting in a <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mi>k</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>⊥</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>3</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo stretchy="true">/</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math> spectrum and <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>k</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo stretchy="false">∥</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo>∝</mml:mo> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mi>k</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>⊥</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo stretchy="true">/</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math> spectral anisotropy. At weaker nonlinearities (small χ 0 ), a spectral break marking the transition between a large-scale weak regime and a small-scale <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mi>k</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>⊥</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>11</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo stretchy="true">/</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mn>5</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math> tearing-mediated range emerges, implying that dynamic alignment occurs also for weak nonlinearities. At χ 0 &lt; 1 the alignment angle <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>θ</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>k</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>⊥</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> shows a stronger scale dependence than in the χ 0 ∼ 1 regime, namely <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mi>sin</mml:mi> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>θ</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>k</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>⊥</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo>∝</mml:mo> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mi>k</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>⊥</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo stretchy="true">/</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math> at χ 0 ∼ 0.5, and <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mi>sin</mml:mi> <mml:msub>

Topics & Concepts