We present a theoretical framework for plasma turbulence in astrophysical plasmas (solar wind, interstellar medium, galaxy clusters, accretion disks). The key assumptions are that the turbulence is anisotropic with respect to the mean magnetic field and frequencies are low compared to the ion cyclotron frequency. The energy injected at the outer scale scale has to be converted into heat, which ultimately cannot be done without collisions. A KINETIC CASCADE develops that brings the energy to collisional scales both in space and velocity. Its nature depends on the physics of plasma fluctuations. In each of the physically distinct scale ranges, the kinetic problem is systematically reduced to a more tractable set of equations. In the "inertial range" above the ion gyroscale, the kinetic cascade splits into a cascade of Alfvenic fluctuations, which are governed by the RMHD equations at both the collisional and collisionless scales, and a passive cascade of compressive fluctuations, which obey a linear kinetic equation along the moving field lines associated with the Alfvenic component. In the "dissipation range" between the ion and electron gyroscales, there are again two cascades: the kinetic-Alfven-wave (KAW) cascade governed by two fluid-like Electron RMHD equations and a passive phase-space cascade of ion entropy fluctuations. The latter cascade brings the energy of the inertial-range fluctuations that was damped by collisionless wave-particle interaction 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 these cascades. Astrophysical and space-physical applications are discussed in detail.

During the solar minimum, when the Sun is at its least active, the solar wind1,2 is observed at high latitudes as a predominantly fast (more than 500 kilometres per second), highly Alfvénic rarefied stream of plasma originating from deep within coronal holes. Closer to the ecliptic plane, the solar wind is interspersed with a more variable slow wind3 of less than 500 kilometres per second. The precise origins of the slow wind streams are less certain4; theories and observations suggest that they may originate at the tips of helmet streamers5,6, from interchange reconnection near coronal hole boundaries7,8, or within coronal holes with highly diverging magnetic fields9,10. The heating mechanism required to drive the solar wind is also unresolved, although candidate mechanisms include Alfvén-wave turbulence11,12, heating by reconnection in nanoflares13, ion cyclotron wave heating14 and acceleration by thermal gradients1. At a distance of one astronomical unit, the wind is mixed and evolved, and therefore much of the diagnostic structure of these sources and processes has been lost. Here we present observations from the Parker Solar Probe15 at 36 to 54 solar radii that show evidence of slow Alfvénic solar wind emerging from a small equatorial coronal hole. The measured magnetic field exhibits patches of large, intermittent reversals that are associated with jets of plasma and enhanced Poynting flux and that are interspersed in a smoother and less turbulent flow with a near-radial magnetic field. Furthermore, plasma-wave measurements suggest the existence of electron and ion velocity-space micro-instabilities10,16 that are associated with plasma heating and thermalization processes. Our measurements suggest that there is an impulsive mechanism associated with solar-wind energization and that micro-instabilities play a part in heating, and we provide evidence that low-latitude coronal holes are a key source of the slow solar wind. Measurements from the Parker Solar Probe show that slow solar wind near the Sun’s equator originates in coronal holes.

The proton temperature anisotropy in the solar wind is known to be constrained by the theoretical thresholds for pressure anisotropy-driven instabilities. Here we use approximately 1 million independent measurements of gyroscale magnetic fluctuations in the solar wind to show for the first time that these fluctuations are enhanced along the temperature anisotropy thresholds of the mirror, proton oblique firehose, and ion cyclotron instabilities. In addition, the measured magnetic compressibility is enhanced at high plasma beta ($\beta_\parallel \gtrsim 1$) along the mirror instability threshold but small elsewhere, consistent with expectations of the mirror mode. The power in this frequency (the 'dissipation') range is often considered to be driven by the solar wind turbulent cascade, an interpretation which should be qualified in light of the present results. In particular, we show that the short wavelength magnetic fluctuation power is a strong function of collisionality, which relaxes the temperature anisotropy away from the instability conditions and reduces correspondingly the fluctuation power.

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.

The nature of small-scale turbulent fluctuations in the solar wind is investigated using a comparison of Cluster magnetic and electric field measurements to predictions arising from models consisting of either kinetic Alfvén waves or whistler waves. The electric and magnetic field properties of these waves from linear theory are used to construct spacecraft-frame frequency spectra of (|δE|/|δB|)s/c and (|δB∥|/|δB|)s/c, allowing for a direct comparison to spacecraft data. The measured properties of the small-scale turbulent fluctuations, found to be inconsistent with the whistler wave model, agree well with the prediction of a spectrum of kinetic Alfvén waves with nearly perpendicular wavevectors.

A three-dimensional, nonlinear gyrokinetic simulation of plasma turbulence resolving scales from the ion to electron gyroradius with a realistic mass ratio is presented, where all damping is provided by resolved physical mechanisms. The resulting energy spectra are quantitatively consistent with a magnetic power spectrum scaling of k(-2.8) as observed in in situ spacecraft measurements of the "dissipation range" of solar wind turbulence. Despite the strongly nonlinear nature of the turbulence, the linear kinetic Alfvén wave mode quantitatively describes the polarization of the turbulent fluctuations. The collisional ion heating is measured at subion-Larmor radius scales, which provides evidence of the ion entropy cascade in an electromagnetic turbulence simulation.