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Two-fluid turbulence including electron inertia

By Nahuel Andrés, Carlos Andres Gonzalez Restrepo, Luis Nicolas Martin, Pablo Ariel Dmitruk and Daniel Gómez

Abstract

We present a full two-fluid magnetohydrodynamic (MHD) description for a completely ionized hydrogen plasma, retaining the effects of the Hall current, electron pressure, and electron inertia. According to this description, each plasma species introduces a new spatial scale: the ion inertial length λi and the electron inertial length λe, which are not present in the traditional MHD description. In the present paper, we seek for possible changes in the energy power spectrum in fully developed turbulent regimes, using numerical simulations of the two-fluid equations in two-and-a-half dimensions. We have been able to reproduce different scaling laws in different spectral ranges, as it has been observed in the solar wind for the magnetic energy spectrum. At the smallest wavenumbers where plain MHD is valid, we obtain an inertial range following a Kolmogorov k-5/3 law. For intermediate wavenumbers such that λi-1≪k ≪λe-1 , the spectrum is modified to a k-7/3 power-law, as has also been obtained for Hall-MHD neglecting electron inertia terms. When electron inertia is retained, a new spectral region given by k >λe-1 arises. The power spectrum for magnetic energy in this region is given by a k-11/3 power law. Finally, when the terms of electron inertia are retained, we study the self-consistent electric field. Our results are discussed and compared with those obtained in the solar wind observations and previous simulations.Fil: Andrés, Nahuel. Consejo Nacional de Investigaciónes Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Astronomía y Física del Espacio. - Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Astronomía y Física del Espacio; ArgentinaFil: Gonzalez Restrepo, Carlos Andres. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Física; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; ArgentinaFil: Martin, Luis Nicolas. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; ArgentinaFil: Dmitruk, Pablo Ariel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; ArgentinaFil: Gómez, Daniel. Consejo Nacional de Investigaciónes Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Astronomía y Física del Espacio. - Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Astronomía y Física del Espacio; Argentin

Topics: turbulence, two-fluids, magnetohydrodynamic, plasma, Física de los Fluidos y Plasma, Ciencias Físicas, CIENCIAS NATURALES Y EXACTAS
Publisher: American Institute Of Physics
Year: 2017
DOI identifier: 10.1063/1.4903907
OAI identifier:
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