A Model for Dissipation of Solar Wind Turbulence with Damping by Kinetic Alfvén Waves: Comparison with Observations and Implications for the Dissipation Process in the Solar Wind

Schreiner, Anne (2017). A Model for Dissipation of Solar Wind Turbulence with Damping by Kinetic Alfvén Waves: Comparison with Observations and Implications for the Dissipation Process in the Solar Wind. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

The aim of this work is to improve the characterization of small scale processes in the solar wind, particularly, the dissipation process of the turbulent energy. Although some statistical properties of solar wind turbulence are comparable to those of hydrodynamic turbulence, the presence of the interplanetary magnetic field and the composition of the solar wind of charged particles result in important differences. We present a dissipation model, which is based on a combination of the nonlinear energy transport from large to small scales and the damping process, which becomes important at small scales. We assume that damping is caused by interactions between kinetic Alfvén waves (KAW) and solar wind particles. The first part of this thesis presents a one-dimensional model in wavenumber space, which is compared with solar wind observations. With the help of this model, the following conclusions can be drawn about the dissipation process: assuming an anisotropic energy transport, which follows the critical balance theory, the background turbulence is driven by KAWs and not by whistler waves. This KAW driven cascade results in a quasi-exponentially shaped dissipation range and a dissipation length which corresponds to the electron gyroradius. The model provides an answer to the question as to why the dissipation length in the solar wind is independent of the energy injected at large scales, which is a clear difference compared to hydrodynamic turbulence. The anisotropic nature of the solar wind turbulence influences the transport of energy in such a way that the damping becomes more effective with a larger amount of injected energy. The expansion of the one-dimensional dissipation model to three dimensions and the thereon based calculation of reduced power spectra in the frequency space lead to the following conclusions: Damping due to KAW is able to explain the steep spectral index in the sub-ion range, which is observed in the solar wind plasma but could not be explained by any theory. However, a direct comparison with a set of solar wind observations shows that the spectral index is still steeper in the observations than the spectral index in the model. We conclude that the KAW driven cascade is present in all the observed spectra, but that other effects or wave modes can additionally influence the slope.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

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UNSPECIFIED	German

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Abstract

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Das Ziel dieser Arbeit ist es, die kleinskaligen Prozesse und insbesondere die Dissipation turbulenter Energie im Sonnenwind Plasma zu charakterisieren. Obwohl einige statistische Eigenschaften der Sonnenwind Turbulenz vergleichbar sind mit denen hydrodynamischer Turbulenz, resultieren die Anwesenheit des interplanetaren Magnetfeldes und die Zusammensetzung des Sonnenwindes aus geladenen Teilchen in deutlichen Unterschieden. Wir präsentieren ein Dissipationsmodell, welches auf einer Kombination aus nicht-linearem Energie Transport von großen zu kleinen Skalen und dem Dämpfungsprozess, der auf kleinen Skalen einsetzt, basiert. Es wird angenommen, dass die Dämpfung durch Interaktionen zwischen kinetischen Alfvén Wellen (KAW) und den Sonnenwind Teilchen hervorgerufen wird. Der erste Teil dieser Arbeit präsentiert ein eindimensionales Modell im Wellenzahl-Raum, welches mit Sonnenwind Beobachtungen verglichen wird. Mit Hilfe dieses Modells können folgende Rückschlüsse auf den Dissipationsprozess gezogen werden: Unter der Annahme eines anisotropen Enegietransports, welcher der Critical Balance Theorie folgt, wird die Hintergrund Turbulenz von KAW und nicht von Whistler Wellen getrieben. Diese KAW Kaskade resultiert in einem quasi-exponentiell geformten Dissipationsbereich und einer Dissipationslänge, die dem Elektronen Gyroradius entspricht. Das Modell gibt eine Antwort auf die Frage, warum die Dissipationslänge im Sonnenwind unabhängig von der Energie ist, die auf großen Skalen injiziert wird, was einen deutlichen Unterschied im Vergleich zu hydrodynamischer Turbulenz darstellt. Die anisotrope Natur der Sonnenwind Turbulenz beeinflusst den Energietransport in der Art, dass bei einer größeren Menge an injizierter Energie die Dämpfung effektiver wird. Die Erweiterung des eindimensionalen Dissipationsmodells auf drei Dimensionen und die darauf basierende Berechnung reduzierter Energiespektren im Frequenz-Raum führt zu folgenden Rückschlüssen: Die Dämpfung aufgrund von KAW ist in der Lage, den steilen spektralen Index im Bereich zwischen Ionen und Elektronen Skalen zu erklären, welcher im Sonnenwind Plasma beobachtet wird, aber bisher durch keine Theorie erklärt werden konnte. Allerdings zeigt sich im direkten Vergleich mit einem Set aus Sonnenwind Beobachtungen, dass der spektrale Index in den Beobachtungen weiterhin steiler ist als der spektrale Index im Modell. Wir schließen daraus, dass die KAW getriebene Kaskade in allen beobachteten Spektren anwesend ist, dass allerdings andere Effekte oder Wellenmoden die Steigung zusätzlich beeinflussen können.

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