A public database system archiving a direct numerical simulation (DNS) data set of isotropic, forced turbulence is described in this paper. The data set consists of the DNS output on 10243 spatial points and 1024 time samples spanning about one large-scale turnover time. This complete 10244 spacetime history of turbulence is accessible to users remotely through an interface that is based on the Web-services model. Users may write and execute analysis programs on their host computers, while the programs make subroutine-like calls that request desired parts of the data over the network. The users are thus able to perform numerical experiments by accessing the 27 terabytes (TB) of DNS data using regular platforms such as laptops. The architecture of the database is explained, as are some of the locally defined functions, such as differentiation and interpolation. Test calculations are performed to illustrate the usage of the system and to verify the accuracy of the methods. The database is then used to analyze a dynamical model for small-scale intermittency in turbulence. Specifically, the dynamical effects of pressure and viscous terms on the Lagrangian evolution of velocity increments are evaluated using conditional averages calculated from the DNS data in the database. It is shown that these effects differ considerably among themselves and thus require different modeling strategies in Lagrangian models of velocity increments and intermittency.

An unsolved problem in plasma turbulence is how energy is dissipated at small scales. Particle collisions are too infrequent in hot plasmas to provide the necessary dissipation. Simulations either treat the fluid scales and impose an ad hoc form of dissipation (e.g., resistivity) or consider dissipation arising from resonant damping of small amplitude disturbances where damping rates are found to be comparable to that predicted from linear theory. Here, we report kinetic simulations that span the macroscopic fluid scales down to the motion of electrons. We find that turbulent cascade leads to generation of coherent structures in the form of current sheets that steepen to electron scales, triggering strong localized heating of the plasma. The dominant heating mechanism is due to parallel electric fields associated with the current sheets, leading to anisotropic electron and ion distributions which can be measured with NASA's upcoming Magnetospheric Multiscale mission. The motion of coherent structures also generates waves that are emitted into the ambient plasma in form of highly oblique compressional and shear Alfven modes. In 3D, modes propagating at other angles can also be generated. This indicates that intermittent plasma turbulence will in general consist of both coherent structures and waves. However, the current sheet heating is found to be locally several orders of magnitude more efficient than wave damping and is sufficient to explain the observed heating rates in the solar wind.

Global hybrid (electron fluid, kinetic ions) and fully kinetic simulations of the magnetosphere have been used to show surprising interconnection between shocks, turbulence, and magnetic reconnection. In particular, collisionless shocks with their reflected ions that can get upstream before retransmission can generate previously unforeseen phenomena in the post shocked flows: (i) formation of reconnecting current sheets and magnetic islands with sizes up to tens of ion inertial length. (ii) Generation of large scale low frequency electromagnetic waves that are compressed and amplified as they cross the shock. These “wavefronts” maintain their integrity for tens of ion cyclotron times but eventually disrupt and dissipate their energy. (iii) Rippling of the shock front, which can in turn lead to formation of fast collimated jets extending to hundreds of ion inertial lengths downstream of the shock. The jets, which have high dynamical pressure, “stir” the downstream region, creating large scale disturbances such as vortices, sunward flows, and can trigger flux ropes along the magnetopause. This phenomenology closes the loop between shocks, turbulence, and magnetic reconnection in ways previously unrealized. These interconnections appear generic for the collisionless plasmas typical of space and are expected even at planar shocks, although they will also occur at curved shocks as occur at planets or around ejecta.