Three-Dimensional Anisotropy and Scaling Properties of Solar Wind Turbulence at Kinetic Scales in the Inner Heliosphere: Parker Solar Probe Observations
J. Zhang, S. Y. Huang, Jiansen He, Tieyan Wang, Zhigang Yuan, Xiaohua Deng, K. Jiang, Y. Y. Wei, S. B. Xu, Q. Y. Xiong, R. T. Lin, L. Yu
Abstract
Abstract We utilize the data from the Parker Solar Probe mission at its first perihelion to investigate the three-dimensional (3D) anisotropies and scalings of solar wind turbulence for the total, perpendicular, and parallel magnetic-field fluctuations at kinetic scales in the inner heliosphere. By calculating the five-point second-order structure functions, we find that the three characteristic lengths of turbulence eddies for the total and the perpendicular magnetic-field fluctuations in the local reference frame <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mo stretchy="false">(</mml:mo> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mover accent="true"> <mml:mrow> <mml:mi>L</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>ˆ</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mover> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>⊥</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mover accent="true"> <mml:mrow> <mml:mi>l</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>ˆ</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mover> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>⊥</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mover accent="true"> <mml:mrow> <mml:mi>l</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>ˆ</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mover> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo stretchy="false">∣</mml:mo> <mml:mo stretchy="false">∣</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo stretchy="false">)</mml:mo> </mml:math> defined with respect to the local mean magnetic field B local feature as l ∣∣ > L ⊥ > l ⊥ in both the transition range and the ion-to-electron scales, but l ∣∣ > L ⊥ ≈ l ⊥ for the parallel magnetic-field fluctuations. For the total magnetic-field fluctuations, the wave-vector anisotropy scalings are characterized by <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>l</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo stretchy="false">∣</mml:mo> <mml:mo stretchy="false">∣</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo>∝</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>l</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>⊥</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>0.78</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:math> and <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>L</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>⊥</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo>∝</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>l</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>⊥</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>1.02</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:math> in the transition range, and they feature as <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>l</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo stretchy="false">∣</mml:mo> <mml:mo stretchy="false">∣</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo>∝</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>l</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>⊥</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>0.44</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:math> and <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>L</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>⊥</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo>∝</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>l</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>⊥</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>0.73</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:math> in the ion-to-electron scales. Still, we need more complete kinetic-scale turbulence models