Multispacecraft Analysis of the Properties of Magnetohydrodynamic Fluctuations in Sub-Alfvénic Solar Wind Turbulence at 1 au

Abstract

Abstract We present observations of three-dimensional magnetic power spectra in wavevector space to investigate the anisotropy and scalings of sub-Alfvénic solar wind turbulence at magnetohydrodynamic (MHD) scale using the Magnetospheric Multiscale spacecraft. The magnetic power distributions are organized in a new coordinate determined by wavevectors ( <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mover accent="true"> <mml:mi mathvariant="bold-italic">κ</mml:mi> <mml:mo>ˆ</mml:mo> </mml:mover> </mml:math> ) and background magnetic field ( <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mover accent="true"> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo stretchy="true">^</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mover> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> ) in Fourier space. This study utilizes two approaches to determine wavevectors: the singular value decomposition method and multispacecraft timing analysis. The combination of the two methods allows an examination of the properties of magnetic field fluctuations in terms of mode compositions without any spatiotemporal hypothesis. Observations show that fluctuations ( δ B ⊥1 ) in the direction perpendicular to <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mover accent="true"> <mml:mi mathvariant="bold-italic">κ</mml:mi> <mml:mo>ˆ</mml:mo> </mml:mover> </mml:math> and <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mover accent="true"> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo stretchy="true">^</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mover> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> prominently cascade perpendicular to <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mover accent="true"> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo stretchy="true">^</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mover> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> , and such anisotropy increases with wavenumbers. The reduced power spectra of δ B ⊥1 follow Goldreich–Sridhar scalings: <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mover accent="true"> <mml:mrow> <mml:mi>P</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>ˆ</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mover> <mml:mo stretchy="false">(</mml:mo> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>k</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>⊥</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo stretchy="false">)</mml:mo> <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>5</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo stretchy="true">/</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math> and <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mover accent="true"> <mml:mrow> <mml:mi>P</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>ˆ</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mover> <mml:mo stretchy="false">(</mml:mo> <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 stretchy="false">)</mml:mo> <mml:mo>∝</mml:mo> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mi>k</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo stretchy="false">∥</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math> . In contrast, fluctuations within the <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mover accent="true"> <mml:mrow> <mml:mi>k</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>ˆ</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mover> <mml:msub> <mml:mrow>

Topics & Concepts