This paper presents a theoretical framework for understanding plasma turbulence in astrophysical plasmas. It is motivated by observations of electromagnetic and density fluctuations in the solar wind, interstellar medium and galaxy clusters, as well as by models of particle heating in accretion disks. All of these plasmas and many others have turbulent motions at weakly collisional and collisionless scales. The paper focuses on turbulence in a strong mean magnetic field. The key assumptions are that the turbulent fluctuations are small compared to the mean field, spatially anisotropic with respect to it and that their frequency is low compared to the ion cyclotron frequency. The turbulence is assumed to be forced at some system-specific outer scale. The energy injected at this scale has to be dissipated into heat, which ultimately cannot be accomplished without collisions. A kinetic cascade develops that brings the energy to collisional scales both in space and velocity. The nature of the kinetic cascade in various scale ranges depends on the physics of plasma fluctuations that exist there. There are four special scales that separate physically distinct regimes: the electron and ion gyroscales, the mean free path and the electron diffusion scale. In each of the scale ranges separated by these scales, the fully kinetic problem is systematically reduced to a more physically transparent and computationally tractable system of equations, which are derived in a rigorous way. In the "inertial range" above the ion gyroscale, the kinetic cascade separates into two parts: a cascade of Alfvénic fluctuations and a passive cascade of density and magnetic-field-strength fluctuations. The former are governed by the reduced magnetohydrodynamic (RMHD) equations at both the collisional and collisionless scales; the latter obey a linear kinetic equation along the (moving) field lines associated with the Alfvénic component (in the collisional limit, these compressive fluctuations become the slow and entropy modes of the conventional MHD). In the "dissipation range" below ion gyroscale, there are again two cascades: the kinetic-Alfvén-wave (KAW) cascade governed by two fluid-like electron reduced magnetohydrodynamic (ERMHD) equations and a passive cascade of ion entropy fluctuations both in space and velocity. The latter cascade brings the energy of the inertial-range fluctuations that was Landau-damped at the ion gyroscale to collisional scales in the phase space and leads to ion heating. The KAW energy is similarly damped at the electron gyroscale and converted into electron heat. Kolmogorov-style scaling relations are derived for all of these cascades. The relationship between the theoretical models proposed in this paper and astrophysical applications and observations is discussed in detail.

We report the results of an extensive numerical study of the small-scale turbulent dynamo. The primary focus is on the case of large magnetic Prandtl numbers Prm, which is relevant for hot low-density astrophysical plasmas. A Prm parameter scan is given for the model case of viscosity-dominated (low Reynolds number) turbulence. We concentrate on three topics: magnetic energy spectra and saturation levels, the structure of the magnetic field lines, and intermittency of the field strength distribution. The main results are as follows: (1) the folded structure of the field (direction reversals at the resistive scale, field lines curved at the scale of the flow) persists from the kinematic to the nonlinear regime; (2) the field distribution is self-similar and appears to be lognormal during the kinematic regime and exponential in the saturated state; and (3) the bulk of the magnetic energy is at the resistive scale in the kinematic regime and remains there after saturation, although the magnetic energy spectrum becomes much shallower. We propose an analytical model of saturation based on the idea of partial two-dimensionalization of the velocity gradients with respect to the local direction of the magnetic folds. The model-predicted saturated spectra are in excellent agreement with numerical results. Comparisons with large-Re, moderate-Prm runs are carried out to confirm the relevance of these results and to test heuristic scenarios of dynamo saturation. New features at large Re are elongation of the folds in the nonlinear regime from the viscous scale to the box scale and the presence of an intermediate nonlinear stage of slower than exponential magnetic energy growth accompanied by an increase of the resistive scale and partial suppression of the kinetic energy spectrum in the inertial range. Numerical results for the saturated state do not support scale-by-scale equipartition between magnetic and kinetic energies, with a definite excess of magnetic energy at small scales. A physical picture of the saturated state is proposed.

This paper studies the turbulent cascade of magnetic energy in weakly collisional magnetized plasmas. A cascade model is presented, based on the assumptions of local nonlinear energy transfer in wavenumber space, critical balance between linear propagation and nonlinear interaction times, and the applicability of linear dissipation rates for the nonlinearly turbulent plasma. The model follows the nonlinear cascade of energy from the driving scale in the MHD regime, through the transition at the ion Larmor radius into the kinetic Alfven wave regime, in which the turbulence is dissipated by kinetic processes. The turbulent fluctuations remain at frequencies below the ion cyclotron frequency due to the strong anisotropy of the turbulent fluctuations, k_parallel << k_perp (implied by critical balance). In this limit, the turbulence is optimally described by gyrokinetics; it is shown that the gyrokinetic approximation is well satisfied for typical slow solar wind parameters. Wave phase velocity measurements are consistent with a kinetic Alfven wave cascade and not the onset of ion cyclotron damping. The conditions under which the gyrokinetic cascade reaches the ion cyclotron frequency are established. Cascade model solutions imply that collisionless damping provides a natural explanation for the observed range of spectral indices in the dissipation range of the solar wind. The dissipation range spectrum is predicted to be an exponential fall off; the power-law behavior apparent in observations may be an artifact of limited instrumental sensitivity. The cascade model is motivated by a programme of gyrokinetic simulations of turbulence and particle heating in the solar wind.

This Letter presents the first ab initio, fully electromagnetic, kinetic simulations of magnetized turbulence in a homogeneous, weakly collisional plasma at the scale of the ion Larmor radius (ion gyroscale). Magnetic- and electric-field energy spectra show a break at the ion gyroscale; the spectral slopes are consistent with scaling predictions for critically balanced turbulence of Alfvén waves above the ion gyroscale (spectral index -5/3) and of kinetic Alfvén waves below the ion gyroscale (spectral indices of -7/3 for magnetic and -1/3 for electric fluctuations). This behavior is also qualitatively consistent with in situ measurements of turbulence in the solar wind. Our findings support the hypothesis that the frequencies of turbulent fluctuations in the solar wind remain well below the ion cyclotron frequency both above and below the ion gyroscale.