Cross-scale interactions between turbulence driven by electron and ion temperature gradients via sub-ion-scale structures

サブイオンスケール構造を介した電子とイオン温度勾配によって駆動される乱流間のスケール間相互作用

前山 伸也*; 渡邉 智彦*; 井戸村 泰宏   ; 仲田 資季*; 石澤 明宏*; 沼波 政倫*

Maeyama, Shinya*; Watanabe, Tomohiko*; Idomura, Yasuhiro; Nakata, Motoki*; Ishizawa, Akihiro*; Nunami, Masanori*

電子およびイオン温度勾配(ETG/ITG)モードを含むマルチスケールプラズマ乱流を電磁的ジャイロ運動論シミュレーションによって調べた。非線形モード結合の3波移行解析により、電子スケールとイオンスケールのスケール間相互作用を明らかにした。この相互作用の1つは、イオンスケール乱流による電子スケール乱流の抑制である。ここで、ITGが駆動する短波長の渦がせん断流れのように作用し、ETG乱流を抑制する。もう一つのスケール間相互作用は、電子スケール乱流の存在下でのイオンスケール乱流の増大である。これは、短波長の帯状流によって引き起こされる。この帯状流はITG乱流における運動論的通過電子の応答によって生成され、剪断によってITG乱流を抑制し、ETG乱流によって減衰される。どちらの場合も、電子スケールとイオンスケールの間のサブイオンスケールの構造が、スケール間相互作用において重要な役割を果たす。

Multi-scale plasma turbulence including electron and ion temperature gradient (ETG/ITG) modes has been investigated by means of electromagnetic gyrokinetic simulations. Triad transfer analyses on nonlinear mode coupling reveal cross-scale interactions between electron and ion scales. One of the interactions is suppression of electron-scale turbulence by ion- scale turbulence, where ITG-driven short-wavelength eddies act like shear flows and suppress ETG turbulence. Another cross-scale interaction is enhancement of ion-scale turbulence in the presence of electron-scale turbulence. This is caused via short-wavelength zonal flows, which are created by the response of passing kinetic electrons in ITG turbulence, suppress ITG turbulence by their shearing, and are damped by ETG turbulence. In both cases, sub-ion-scale structures between electron and ion scales play important roles in the cross-scale interactions.