Three dimensional density cavities in guide field collisionless magnetic reconnection
利用引导场进行无碰撞磁重联的粒子模拟首次揭示了沿磁重联分界线（即所谓的“空腔”）的低密度区域的三维特征。结果发现，结构与进一步较低的密度发展内的空腔。因为它们的外观类似于肋的形状，这些地层在这里被称为“低密度肋”。它们的位置在时间上保持大致固定，并且随着沿着空腔的电子流将它们排空，它们的密度逐渐减小。它们沿着磁场线发展，并由在空间振荡的强垂直电场支持。此外，沿低密度肋和磁场线的方向，在腔和流出等离子体之间形成作为隔离球的双极平行电场结构。
2012-03-10 physics.plasm-ph physics.space-ph
New Measure of the Dissipation Region in Collisionless Magnetic Reconnection
提出了一种新的识别无碰撞磁重联中小尺度耗散区的方法。在电子静止坐标系中，从电磁场到等离子体的能量转移被表述为洛伦兹不变标量。在典型的配置：对称和不对称的重联，有和没有引导字段的二维粒子在细胞中的模拟测试的措施。在所有情况下，重连位点周围的最内部区域都被精确定位。我们进一步讨论了非理想MHD耗散的影响。
2011-05-11 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Electron acceleration and heating in collisionless magnetic reconnection
利用Harris电流片的隐式动力学模拟结果讨论了无碰撞磁重联过程中电子的加速和加热。我们考虑和比较了不同β值的等离子体中的电子动力学，并进行了模拟的物理质量比。我们分析了电子通过重联区的典型轨迹，研究了电子的速度，重点研究了离面速度，并讨论了电子沿面内和离面方向的加热。
2003-05-06 astro-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
A model of global magnetic reconnection rate in relativistic collisionless plasmas
建立了一个相对论无碰撞等离子体中整体磁重联率的模型，并通过全动力学模拟进行了验证。通过考虑扩散区上游和下游的力平衡，我们证明了在强磁化等离子体中，即使当局部速率达到$\sim O(1)$且局部流入速度接近光速时，全局速率仍受一个值$\sim 0.3$的约束.所导出的模型是通用的，可应用于各种情况下的磁重联。
2016-05-18 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Self-Regulation of Solar Coronal Heating Process via Collisionless Reconnection Condition
我提出了一个新的范式太阳日冕加热视为一个自我调节的过程，保持等离子体轻微碰撞。该机制是基于两个效应之间的耦合。首先，日冕密度控制等离子体的碰撞性，因此之间的缓慢碰撞Sweet-Parker和快速碰撞重联制度的过渡。反过来，日冕能量释放导致色球蒸发，增加密度，从而抑制新重新连接的环的后续重新连接。因此，从统计学上讲，密度在某个临界水平附近波动，与日冕中观察到的密度相当。从长远来看，日冕加热可以通过快速重连事件（纳米耀斑），蒸发事件和日冕等离子体的长期缓慢磁应力积累和辐射冷却的重复循环来表示。
2007-12-23 astro-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
Non-Maxwellian electron distribution functions due to self-generated turbulence in collisionless guide-field reconnection
非麦克斯韦电子速度空间分布函数（EVDF）是表征等离子体条件和无碰撞磁重联非局域结果的有效信号。在过去，EVDF主要是在反平行重联和垂直于重联平面方向的弱导场的影响下获得的。然而，EVDF对于依赖于较强引导磁场的倾斜（或分量）重联以及对于远离扩散区域的重联的排出（流出）区域还不是众所周知的。针对多航天器磁层多尺度任务（MMS），考虑自生湍流的反馈，推导了从小导场（$b_g\approx0$）到强导场（$b_g=8$）导场$b_g$对无碰撞磁重联的非麦克斯韦EVDF.为此，我们使用ACRONYM代码进行了2.5D全动力学Particle-in-Cell模拟。我们得到了各向异性的EVDFs和电子束沿分界线以及在排气区的重联。光束是各向异性的，在垂直于而不是平行于局部磁场的方向上具有较高的温度。电子束在与背景电子相反的方向上传播并引起不稳定性。我们还得到了相对电子束漂移速度，阈值和由此产生的流不稳定性，包括强烈的非线性饱和的自生等离子体湍流的属性的引导场的依赖性。这种湍流及其非线性反馈导致非绝热平行电子加速和EVDF远远超出准线性近似的限制，产生相空间空穴和各向同性俯仰角散射。
2016-10-06 physics.plasm-ph physics.space-ph
Seeds for collisionless reconnection
一种静止的、二维的、非驱动的反平行磁场结构，由一个中心电流膜组成，两侧是两个电子惯性尺度的非磁畴，类似于约瑟夫森模型。Landau-Ginsburg条件适用于方向相反的外部磁场的边界，其源位于无穷远处。在微观水平上，足够大的磁岛和X点是由少量基本磁通量的交换形成的，而不涉及任何等离子体不稳定性，在这些尺度上，这些不稳定性纯粹是静电的。这些可以作为种子点燃大规模的无碰撞重联。
2019-10-22 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Collisionless magnetic reconnection in a plasmoid chain
利用二维Particle-in-Cell模拟方法研究了等离子体团链形成和演化的动力学特征。磁重联是由撕裂不稳定性在多个X点引发的。胞质团通过连续聚结而形成并在尺寸上增长。每一个链状等离子体团都有一个强的面外核心磁场和一个驱动聚结过程的面外电子流。聚结过程中X点的消失是由于反重联，即等离子体流入和流出相对于原始重联流型反向的磁重联。抗重联的特征在于霍尔磁场四极签名。两个新的动力学特征，没有报告的等离子体团链的演化，在这里揭示。首先，强烈的电场在垂直于分界面的平面内发展，并驱动等离子体团中的离子动力学。第二，几个双极电场结构被定位在等离子体团链附近。电子分布函数和相空间的分析揭示了逆流电子束的存在，不稳定的两个流的不稳定性，和相空间电子空穴沿重联分离。
2012-02-13 physics.plasm-ph physics.space-ph
On the collisionless asymmetric magnetic reconnection rate
非对称重联中稳态重联电场的预测是通过使重联率最大化作为由上游磁场在弱磁场（磁鞘）侧所作的张开角的函数来获得的。在无碰撞极限下，预测在广泛研究的非对称重联模型[Cassak和Shay，Phys. Plasmas 14，102114，2007]的两倍内，并且它们在宽参数范围内缩放相同。以前的模型有一个自由参数的扩散区的有效纵横比，模拟和观察表明是在0.1的顺序，但本模型没有自由参数。结合对称情况[Liu等人，物理修订信函118，085101，2017]，这项工作进一步表明，这个几乎通用的数字0.1，基本上是归一化的快速重联率，是一个几何因子，由磁流体动力学（MHD）尺度约束内的重联率最大化而产生。
2017-11-17 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Effective Resistivity in Collisionless Magnetic Reconnection
非对角电子雷诺应力是无碰撞等离子体中产生磁重联（MR）的主要原因，它能在磁场重联区产生较大的感应电场。然而，在磁流体动力学（MHD）模拟MR，很难实现完整的雷诺应力，这是动力学的性质。本文从粒子动力学第一性原理出发，提出了有效电阻率的理论模型。推导出的有效电阻率的理论公式进行了验证，通过全粒子模拟（PIC），并讨论了相应的物理。
2017-11-23 physics.plasm-ph
Effects of electron inertia in collisionless magnetic reconnection
在完全电离的氢等离子体中，考虑霍尔电流、电子压力和电子惯性的影响，在完全双流体MHD框架下研究了无碰撞磁重联.我们进行了2.5D模拟，使用伪谱码没有耗散效应。我们检查，理想的不变量的问题是保守的舍入误差。我们的结果表明，磁场线的拓扑结构的变化是完全由于电子惯性的存在。计算出的重连率仍然是阿尔文速度的一个合理的分数，因此有资格作为快速重连。
2014-06-30 physics.plasm-ph
Kinetic turbulence in fast 3D collisionless guide-field magnetic reconnection
虽然湍流已被证实对磁重联很重要，但人们对它在无碰撞等离子体中的作用仍知之甚少。以前试图量化湍流对重联的影响时，通常采用阿尔文涨落或其他低频涨落，或者仅在二维构型和反平行磁场中研究无碰撞动力学效应。鉴于此，本文利用三维粒子模拟程序，在频率和波数空间分析了三维导场通过无力电流片重联自发产生的动力学湍流。我们的研究揭示了重联率和动力学湍流的功能类似于目前在现场的航天器观测MMS以及在实验室重联实验MRX，VTF和\textsc{Vineta} -II。特别是，我们发现，动力学湍流发展过程中的3D导场重联表现出宽带幂律频谱扩展超出低杂波频率和电子频率。在频率空间中，湍流的谱指数在重联X线处接近-2.8。在波数空间中，当归一化重联率达到0.1时，它也变为-2.8。宽带动力学湍流主要是由于在足够薄的动力学重联电流片中激发的电流流和电子流剪切不稳定性。动力学湍流的增长对应于高的重连率，超过那些快速层流，非湍流重连。
2018-11-02 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
A new fast reconnection model in a collisionless regime
基于第一原则（即（i）用广义欧姆定律中包含电子压力张量非回旋分量的项来平衡磁场平流;（ii）利用质量守恒;以及（iii）假设弱磁场区域宽度，其中电子弯曲运动支持电子压力张量非对角（非回旋）分量的数量级为电子拉莫尔半径），建立了无碰撞区磁重联的一个简单模型。该模型是通用的，类似于其碰撞Sweet-Parker模拟，因为它不特定于任何初始配置，例如Harris型撕裂不稳定电流片，X点崩溃或其他。无碰撞重联模型除了从基本观点来看很重要之外，它还提供了比斯威特-帕克经典模型（M_sp=S^-1/2）快得多的重联速率（M_c 'less =（c/omega_pe）^2 /（r_L，e L））。在无碰撞区，扩散区（电流片）的宽度为delta_c 'less =（c/omega_pe）^2/r_L，e，它与整体重联尺度L无关，只由微观物理（电子惯性长度c/omega_pe和电子拉莫尔半径r_L，e）决定。在其他问题中，重联率的快速性使例如通过重联解释太阳耀斑的问题变得复杂，因为对于典型的日冕参数，所获得的无碰撞重联时间可以是几分钟，而不是Sweet-Parker的等效值<一天。将新的理论重连率与MRX装置实验数据进行比较[Yamada等人，Phys. Plasmas，13，052119（2006），Ji等人GRL，35，13106（2008）]，并且获得了良好的一致性。
2008-10-31 astro-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
System Size Dependence of Collisionless Reconnection Rate
University of Maryland, College Park（马里兰大学帕克分校）；National Aeronautics and Space Administration Goddard Space Flight Center（美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心）；Princeton University（普林斯顿大学）
研究通过粒子-网格和霍尔磁流体动力学模拟揭示碰撞less重联率并非普遍快速，其速率随系统规模增大而降低，表明碰撞less重联具有根本的规模依赖性。
2026-04-20 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Comparison of multi-fluid moment models with Particle-in-Cell simulations of collisionless magnetic reconnection
在无碰撞磁重联的背景下，我们引入了一个可扩展的多流体矩模型。该模型演化完整的麦克斯韦方程组，并同时为每个物种在等离子体的弗拉索夫-麦克斯韦方程的时刻。电子惯性和压力梯度等效应自洽地嵌入到所得到的多流体矩方程中，而不需要显式地求解广义欧姆定律。两个限制的多流体矩模型进行了讨论，即，五个时刻的限制，每个物种的标量压力的演变，和十个时刻的限制，演变的全各向异性，非gyrotropic压力张量为每个物种。我们首先证明，分析和数值，五矩模型减少到广泛使用的霍尔磁流体力学（霍尔MHD）模型的假设下消失的电子惯性，无限的光速，和准中性。然后，我们比较了十矩和完全动力学粒子在细胞（PIC）模拟的大规模哈里斯片重联问题，其中十矩方程封闭的局部线性无碰撞近似的热通量。十矩模拟给出了合理的协议与PIC结果的结构和大小的电子流，极性和大小的电子压力张量的元素，和广义欧姆定律的分解。本文还讨论了改进简单局部封闭向非局部全三维封闭的可能途径。
2014-10-02 physics.plasm-ph physics.space-ph
Two-stage electron acceleration by 3D collisionless guide field magnetic reconnection
我们报道了一个新发现的在非相对论区域典型的三维无碰撞导场磁重联的X线附近电子加速的两阶段机制，例如，恒星日冕的研究我们发现电子在重联的线性增长过程中首先被预加速后，在三维导场磁重联的非线性阶段中被进一步加速。这种额外的加速度是由于由流动不稳定性引起的电场和磁场的叠加。除了增强的平行电场，双折射导致额外的曲率驱动的电子加速在引导场方向。其结果是，部分加速的电子光谱变成幂律，在X线附近的光谱指数为$\sim-1.6$。由于非线性重联引起的加速的第二阶段与高能电子的产生有关，例如，恒星日冕的薄电流片
2018-09-09 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Fast Collisionless Reconnection Condition and Self-Organization of Solar Coronal Heating
我认为，太阳日冕加热是一个自我调节的过程，使日冕等离子体大致边缘碰撞。自我调节机制基于两种效应的相互作用。首先，等离子体密度控制日冕能量释放之间的过渡缓慢碰撞Sweet-Parker制度和快速碰撞重联制度。当Sweet-Parker层变得比特征无碰撞重联尺度更薄时，就会发生这种转变。根据上游等离子体密度（n_e）、重联（B_0）和引导（B_z）磁场分量以及重联层的整体长度（L），我提出了一个简单的判据：L <6.10^9 cm [n_e/（10 ^{10}/cm^3）]^（-3）（B_0/30 G）^4（B_0/B_z）^2。接下来，日冕能量释放通过重连通过色球蒸发提高了周围的等离子体密度，这反过来又暂时抑制了随后的重连，包括新重连的环。然而，随着时间的推移，辐射冷却逐渐降低密度再次低于临界值，快速重联再次成为可能。因此，密度是高度不均匀和间歇性的，但在统计上，并没有强烈偏离临界值，这是与观测到的日冕密度。因此，从长远来看，日冕加热过程可以通过由快速重连事件组成的重复循环来表示（即，纳米片），接着是快速蒸发事件，接着是相对长的时间（1小时），在此期间磁应力建立，同时等离子体冷却并沉淀。
2007-08-30 astro-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
Reconnection in Marginally Collisionless Accretion Disk Coronae
我们指出，一个传统的建设放在观测吸积黑洞，其中它们的非热X射线光谱产生的逆康普顿在日冕等离子体，表明等离子体是轻微碰撞。等离子体物理的最新发展表明，快速重联只发生在无碰撞等离子体中。正如最近对太阳日冕的研究所提出的，这种边缘状态可能是能量平衡和快速磁重联的要求相结合的结果。
2008-09-25 astro-ph physics.plasm-ph
The Critical Role of Collisionless Plasma Energization on the Structure of Relativistic Magnetic Reconnection
在磁主导的相对论重联，流入的等离子体耗尽的初始相对论压力在x线和碰撞等离子体加热内的扩散区域是不足以克服这种损失。由此产生的压降导致在x线处的塌陷，基本上是快速重连所需的扩散区域的局部化机制。这个低压区的扩展进一步解释了反平行重联的爆发性质，因为一旦打开流出排气也可以崩溃，这反复触发二次撕裂岛。然而，当存在外部引导场时，可以实现稳定的单个X线重连，因为重连磁场分量在流出处旋转出重连平面，从而提供额外的磁压力来维持打开的排气。
2019-10-20 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Observation of explosive collisionless reconnection in 3D nonlinear gyrofluid simulations
在三维回旋流体模型的框架下，研究了无碰撞重联模的非线性动力学。这是高温等离子体的相关制度，其中重连是可能的电子惯性，并具有更高的增长率比电阻重连。在背景平板模型中，假设存在强引导场，在非均匀方向上具有Dirichlet边界条件。考虑了远小于电流层宽度的离子声回旋半径和电子无碰撞趋肤深度。强加速增长被发现在发病的非线性，而在任何时候的能量泛函是很好地保存。当进入小- $Δ'$状态时，观察到比线性增长率高一个数量级以上的非线性增长率。
2011-11-25 physics.plasm-ph
Characterizing Velocity-Space Signatures of Electron Energization in Large-Guide-Field Collisionless Magnetic Reconnection
磁重联对无碰撞等离子体中磁能的释放和粒子的碰撞起着重要的作用。无碰撞磁重联中的能量转移本质上是一个两步过程：电场对粒子的可逆、无碰撞，随后是该能量的碰撞热化，导致不可逆的等离子体加热。利用回旋动力学数值模拟方法研究了二维强引导场无碰撞磁重联中电子自旋的第一步，并首次给出了场-粒子关联（FPC）特征的例子.我们确定这些速度空间签名在x点和排气中，重联几何的区域中，电子的碰撞主要发生。对这些速度空间特征的建模表明，在强引导场限制下，电子的重连通过平行电场对平面外电子流的体加速而发生，平行电场驱动重连，这是重连的非共振机制。我们探讨这些速度空间签名的变化在等离子体β范围$0.01 \le β_i \le 1$。我们的分析超越了等离子体动力学的流体图像，并利用排气区的电子束的动力学特征，提出了一个单点诊断，它可以潜在地识别使用航天器观测的重连排气区。
2021-12-13 physics.plasm-ph
Laboratory observation of plasmoid-dominated magnetic reconnection in hybrid collisional-collisionless regime
磁重联是磁场拓扑结构的断裂和重组，是宇宙中普遍存在的将磁能快速释放到等离子体粒子中的基本过程。在大多数自然情况下，重联层两侧的等离子体性质是不对称的，特别是对于与密度和温度的组合相关联的碰撞率，并严格确定重联机制。迄今为止，所有关于磁重联的实验室实验都局限于纯碰撞或无碰撞的范围。在这里，我们报告了一个精心设计的实验研究非对称磁重联在一个新的混合碰撞-无碰撞制度之间的相互作用的激光烧蚀铜和CH等离子体。我们发现，在这样的混合政权的撕裂不稳定性的增长率仍然是非常大的，导致在快速形成多个等离子体团，低于在纯粹的无碰撞政权，但远高于碰撞的情况下。此外，我们还首次利用高分辨质子照相技术直接观测到了等离子体团主导的磁重联的拓扑演化全过程。
2022-02-25 physics.plasm-ph
Collisionless Magnetic Reconnection in Curved Spacetime and the Effect of Black Hole Rotation
采用保留了电子-离子和对等离子体无碰撞效应的广义相对论磁流体力学模型，研究了弯曲时空中的磁重联。通过对标准Sweet-Parker模型的简单推广，我们可以得到旋转黑洞引力场的一阶效应。结果表明，黑洞的旋转增加了方位角重联层的长度，导致重联率的降低。然而，当耦合到无碰撞的热惯性效应时，由于重连层的加宽，相对于在纯碰撞等离子体中会发生的情况，净重连率得到增强。这些发现确定了致密天体附近重力和无碰撞磁重联之间的潜在相互作用。
2018-01-18 astro-ph.HE gr-qc physics.plasm-ph
Influence of the dissipation mechanism on collisionless magnetic reconnection in symmetric and asymmetric current layers
实施不同版本的无碰撞欧姆定律的数值研究表明，只要霍尔效应起作用，重连率对X线处发生的非理想机制的性质不敏感。因此，耗散机制发生在附近的重联网站在无碰撞系统通常被认为没有动力学的作用超出违反冻结条件。然而，最近的研究的解释导致了相反的结论，电子尺度耗散过程中发挥了重要的动力学作用，防止电子层的伸长节流重联率。这部作品以新的方式重新审视了这一主题。而不是集中在广泛研究的对称配置，我们的目标是调查的宏观性质的无碰撞重联的耗散物理在非对称配置，霍尔物理的效果是大大修改的影响。因为它包括所有的物理尺度的先验重要的碰撞重联（霍尔和离子动力学物理），也因为它允许一个改变的性质的非理想电子尺度的物理，我们使用一个2D混合模型。数值，电阻和超阻耗散的影响进行了研究。在第一部分中，我们进行模拟的对称重联与不同的非理想电子物理。我们表明，该模型捕捉到了已知的无碰撞重联的属性。在第二部分中，我们专注于一个不对称的配置，其中的磁场强度和密度都是不对称的。我们的结果表明，与对称重联相反，非对称模型的演化强烈依赖于破坏场线连通性的机制的性质
2013-03-03 physics.plasm-ph
Particle dynamics in the electron current layer in collisionless magnetic reconnection
利用粒子模拟方法研究了无碰撞磁重联中电子流层中粒子的动力学行为。电子运动和速度分布函数的跟踪自洽轨迹进行了研究。发现了新的电子轨道类型：电子喷流内部的8字形规则轨道、喷流侧翼的非交叉规则轨道、非交叉Speiser轨道和喷流终止区域下游的非共沸电子。超阿尔夫文外流喷流的性质归因于电子穿过斯佩塞轨道的系综。非交叉轨道由电子电流层附近的极化电场介导。发现非交叉电子的数密度是不可忽略的。这些新的轨道的影响，电子混合，高能电子的空间分布，和观测签名，提出。
2016-08-18 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Nonlinear Acceleration Mechanism of Collisionless Magnetic Reconnection
为了理解托卡马克放电中的磁重联坍缩，研究了无碰撞等离子体中快速磁重联的机制。利用能量原理首次对电子惯性驱动下撕裂模的非线性增长进行了解析估计。在非线性制度（其中岛的宽度超过电子趋肤深度）的势能的减少被发现是陡峭的比在线性制度，导致加速的重联。这种理想流体运动释放的自由能导致不稳定的强对流，这在理论上证实了惯性驱动的碰撞坍塌模型[D. Biskamp和J.F. Drake，Phys. Rev. Lett. 73，971（1994）]。
2012-10-02 physics.plasm-ph
Temperature gradient driven heat flux closure in fluid simulations of collisionless reconnection
最近的努力，包括动力学效应的流体模拟等离子体已经非常有前途。关于无碰撞的磁重联，以前已经发现，在某些情况下，将压力张量阻尼到各向同性会导致与动力学运行的良好一致性。在Wang等人的一项研究（Phys. Plasmas，第22卷，2015年，012108）中，通过Hammett和Perkins的早期工作（PRL，第64卷，1990年，3019年）获得了重连中动力学效应的准确表示。在这里，他们的方法进行了分析的基础上的热通量数据从弗拉索夫模拟。因此，我们提出了一个新的局部封闭，其中热通量是由温度梯度驱动的。这样，实现了在无碰撞状态下的朗道阻尼的更现实的近似。以前的问题得到解决，并在不同的重连设置与动力学模拟的协议显着改善。据作者所知，新的流体模型是第一个在模拟大型磁岛合并方面表现良好的模型。
2018-01-23 physics.plasm-ph
Signatures of Secondary Collisionless Magnetic Reconnection Driven by Kink Instability of a Flux Rope
利用三维粒子模拟方法研究了单磁通绳内扭结不稳定性下二次磁重联的动力学特征。次级磁重联的几个签名被确定在垂直于磁通绳的平面：四极电子和离子密度结构和双极霍尔磁场开发的重联区域附近。最强的电场垂直于局部磁场形成，并且在垂直于磁通绳的平面中识别出重联电场。电子流沿着重连线在与支持通量绳磁场结构的电子流相反的方向上发展。沿重联线方向，出现多个平行于磁场方向的电场双极结构，使磁重联区产生湍流。二次磁重联的特征可以帮助定位空间、天体物理和聚变等离子体中的磁重联事件。
2014-08-05 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.plasm-ph
Nonlinear variational method for predicting fast collisionless magnetic reconnection
为了理解托卡马克放电中的磁塌缩，利用冷离子和电子的双流体模型研究了无碰撞等离子体中快速磁重联的机制。利用能量原理和非线性位移映射，对电子惯性引起的撕裂模的爆炸性增长进行了解析估计。在非线性制度（其中岛的宽度超过电子趋肤深度）的势能的减少被发现是陡峭的比在线性制度，导致加速重联。这种流体位移释放的势能导致不稳定的强对流，这是不阻尼的高温托卡马克等离子体中的小耗散效应。平板几何的直接数值模拟证实了非线性增长的理论预测。
2013-04-30 physics.plasm-ph
Suppression of collisionless magnetic reconnection in asymmetric current sheets
利用全动力学模拟，我们研究了在反磁漂移速度>>阿尔芬速度和磁剪切角适中的极限下，非对称重联的抑制。我们证明了电子和磁通量之间的滑移有利于重联，甚至可以导致快速重联，缺乏一个流出射流。通过比较的情况下，反磁漂移的温度梯度与同伴的情况下，有一个密度梯度，而不是支持，我们确定了一个强大的抑制机制。由于电流片的不对称性质和由此产生的撕裂模，x线的漂移被局部减慢，然后x线被快速移动的后续通量碾过并吞噬。
2016-02-16 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.plasm-ph
The inner structure of collisionless magnetic reconnection: The electron-frame dissipation measure and Hall fields
最近提出，电子框架耗散测度，即在电子的静止框架中从电磁场到等离子体的能量转移，识别无碰撞磁重联的耗散区域[Zenitani等人，Phys. Rev. Lett. 106，195003（2011）]。该措施进一步应用到反平行重联的电子尺度结构，通过使用二维粒子在细胞（PIC）模拟。中心耗散区的大小由电子-离子质量比控制，这表明电子物理是必不可少的。一个狭窄的电子喷流沿着流出方向延伸，直到它到达电子冲击。喷流区似乎是反耗散的。在冲击下，电子加热与磁腔特征有关。结果总结到一个统一的图片的单一耗散区的霍尔磁几何形状。
2014-12-31 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Kinetic simulations of collisionless magnetic reconnection in presence of a guide field
分析了Harris电流片中磁重联的动力学模拟结果。一系列的指导领域被认为是研究重联等离子体的特点是不同的$β$值，$β> m_e/m_i$。采用隐式粒子模拟方法和并行显式粒子模拟程序。模拟与质量比的物理值进行。模拟结果表明，重联率随引导场的增加而减小，对质量比的依赖性很弱。电子压力张量的非对角分量打破了冻结条件，即使在低$β$等离子体中。在高$β$等离子体中，有证据表明哨声波在增强的重联中起着关键作用，而在低$β$等离子体中，动力学Alfvén波是重要的。离子和电子的面内和离面运动也被考虑，表明它们受到质量比和等离子体$β$的影响。
2003-12-05 astro-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
Simulation of Fast Magnetic Reconnection using a Two-Fluid Model of Collisionless Pair Plasma without Anomalous Resistivity
UW-Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）
本文首次在无异常电阻的无碰撞对等离子体流体模型中，通过各向异性绝热双流体模型和各向同性松弛机制，证明了磁零点附近的快速磁重联。
2010-10-01 cs.NA math.NA physics.plasm-ph
Global scale-invariant dissipation in collisionless plasma turbulence
利用在快速环境太阳风的静止间隔中从Cluster航天器现场高频磁场测量，提出了无碰撞等离子体湍流耗散范围的高阶多尺度分析。的观测，跨越50年的时间尺度，显示了从多重分形间歇性湍流的惯性范围内的非高斯单尺度的耗散范围内的交叉。这对湍流无碰撞等离子体中的耗散机制理论提出了一个强有力的观测约束。
2009-06-16 physics.plasm-ph physics.space-ph
Marginally Stable Current Sheets in Collisionless Magnetic Reconnection
在磁重联的非线性发展过程中形成的非碰撞电流片的特征在于具有小的厚度，其数量级为电子趋肤深度。它们可以变得不稳定，形成等离子体团，这使得磁重联过程达到高重联率。在这项工作中，我们调查的等离子体团的发展时，形成的电流片是纯粹的无碰撞，并在一个强大的引导场的存在下的边缘稳定性条件。我们分析的几何特征的重连电流片，是什么促使其伸长。一旦重连电流片形成，我们确定的制度，它是等离子体团不稳定。我们的研究表明，等离子体团可以得到，在这种情况下，从电流片的纵横比远小于在碰撞制度，和边缘稳定的电流层的等离子体流动通道保持$0.1$的逆纵横比。
2022-10-08 physics.plasm-ph
A novel kinetic mechanism for the onset of fast magnetic reconnection and plasmoid instabilities in collisionless plasmas
当相反的磁场通过电流片合并和湮灭时，磁重联可以爆炸性地释放磁能，驱动等离子体射流并将非热粒子群加速到高能量，在从空间和天体物理到实验室尺度的等离子体中。通过实验室实验和航天器观测，在证明在狭窄的动力学尺度电流片中如何快速耗散和重联方面取得了重大的实验进展。然而，一个挑战是要证明是什么触发了重新连接，以及它如何作为一个比这些动力学尺度大得多的全球系统的一部分快速有效地进行。在这里，我们显示实验的全面发展的过程中，电流片的形式，然后在离子动力学尺度分解成多个载流结构。结果是一致的撕裂的电流片，但修改碰撞动力学离子效应，这导致更大的增长率和数量的等离子体团比以前的实验中观察到的或相比，从标准的撕裂不稳定性理论和以前的非线性动力学重联模拟的预测。这一效应将增加等离子体团不稳定性在许多自然重联系统中的作用，在触发大范围自然等离子体的快速重联时应加以考虑，这些自然等离子体具有无碰撞、可压缩的流动，包括在地球磁鞘和磁尾以及在日球顶、在吸积盘以及在湍流高马赫数无碰撞激波中。
2021-12-06 physics.plasm-ph
Onset of magnetic reconnection in a collisionless, high-beta plasma
在磁化的无碰撞等离子体中，组成粒子的磁矩是绝热不变量。因此，在这样的等离子体中磁场强度的增加导致垂直于场线的热压力的增加。在$β$依赖的阈值之上（其中$β$是热压力与磁压力的比率），这种压力各向异性驱动镜像不稳定性，在离子拉莫尔尺度上产生场线的强烈扭曲。这种不稳定性的影响磁重联的研究使用一个简单的分析模型的形成电流片（CS）和相关的生产压力各向异性。维持各向同性，麦克斯韦粒子分布在CS的形成和随后的变薄在无碰撞等离子体中的困难，再加上低阈值的镜子不稳定性在高$β$等离子体，意味着重连磁场的几何形状可以从根本上不同于标准的哈里斯片轮廓经常用于模拟无碰撞重连。因此，取决于CS形成的速率和初始CS厚度，撕裂模式的增长速率和波数由这种差异提高，可能会破坏镜像出没的CS之前，标准撕裂模式可以开发。一个定量的理论来说明这一过程，这可能会发现在撕裂介导的动力学磁旋转“通道”模式的中断的应用。
2019-01-06 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Flow Crossover and Parallel Outflow during Collisionless Magnetic Reconnection
该研究借助标记粒子来源的PIC模拟，揭示无碰撞磁重联中两侧入流交叉越过中平面并形成平行出流的普遍机制。
2025-09-29 physics.plasm-ph
The effects of strong temperature anisotropy on the kinetic structure of collisionless slow shocks and reconnection exhausts. Part II: Theory
对无碰撞斜向传播慢激波的模拟表明，存在与临界温度各向异性相关的转变，即δ =1-μ_0（P_parallel-P_vertical）/ B^2 = 0.25（Liu，Drake and Swisdak（2011））。本文基于各向异性流体理论，特别是各向异性导数非线性薛定谔-伯格斯方程，提出了对这种现象的解释，并给出了下游逆流离子能量封闭的直观模型。0.25的各向异性值是重要的，因为它与慢模式和中间模式的简并点密切相关，并且对应于在复合慢激波（SS）/旋转不连续（RD）波内部发生的共面到非共面过渡的下限。这项工作意味着，它是一对复合SS/RD波约束流出的磁重联，而不是一对开关慢冲击Petschek的模型。这一事实可能解释了Petschek重连相关的关闭慢冲击的现场观测的罕见性。
2011-04-11 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Particle-in-Cell Simulations of Collisionless Magnetic Reconnection with a Non-Uniform Guide Field
结果提出的碰撞磁重联从最近发现的精确的非线性无力Vlasov-Maxwell平衡的第一次研究。初始状态在一个方向上具有哈里斯片磁场分布，在第二方向上具有非均匀引导场，导致空间恒定的磁场强度以及恒定的初始等离子体密度和等离子体压力。研究发现，重联过程最初类似于引导场重联，但随着系统的发展，会逐渐过渡到反平行重联。一些等离子体参数的时间演化进行了研究，并与模拟结果进行了比较，从哈里斯片平衡和哈里斯片加上恒定的引导场平衡。
2015-12-24 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Energy Partition between Ion and Electron of Collisionless Magnetic Reconnection
利用粒子模拟方法研究了无碰撞磁重联过程中等离子体的加热。我们分析了等离子体温度随重联磁通管运动的时间演化，其中等离子体温度被定义为模拟坐标系/磁通管坐标系中心的速度分布函数的二阶矩，并且我们表明磁重联过程中的等离子体加热可以分为两个不同的阶段：在非绝热加热阶段，磁场线在X型扩散区重新连接;在绝热加热阶段，两个磁通管合并后，磁通管收缩。在绝热加热阶段期间，等离子体温度$T$可以近似为$TV^{γ-1}=const.$，其中$γ=5/3$是比热，并且$V$是通量管的体积。在非绝热加热阶段，我们发现离子温度增量与电子温度增量之比可用$ΔT_i/ΔT_e \approx (m_i/m_e )^{1/4}$近似，其中$m_i$和$m_e$分别为离子和电子的质量。我们还提出了一个基于磁扩散主导重联的理论模型来解释模拟结果。
2018-11-08 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Hamiltonian formulation and analysis of a collisionless fluid reconnection model
给出了描述无碰撞重联的等离子体四场流体模型的哈密顿量公式。该公式是非正则的，有一个相应的Lie-Poisson括号。括号是用来获得新的独立的家庭的不变量，所谓的卡西米尔不变量，其中三个是直接相关的拉格朗日不变量的系统。Casimirs用于获得平衡方程的变分原理，该平衡方程将Grad-Shafranov方程推广到包括流动。偶极和均匀平衡的构造。后者的线性动力学详细处理的哈密顿上下文中：正则共轭变量得到的色散关系进行了分析，并获得精确的阈值谱稳定性;规范的变换到规范形式描述;一个明确的定义，负能量模式;和阈值足够的能量卡西米尔稳定性得到。哈密顿公式也被用来获得无碰撞电导率的表达式，它进一步被用来描述的线性增长和非线性饱和的无碰撞撕裂模式。
2008-02-26 physics.plasm-ph
Collisionless Magnetic Reconnection in a Five-Moment Two-Fluid Electron-Positron Plasma
University of Wisconsin, Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）
使用各向同性压力的无碰撞双流体模型模拟电子-正电子等离子体磁重联，发现缺乏数值扩散时不会发生快速重联，与存在霍尔效应或各向异性压力的情形形成对比。
2008-12-03 cs.NA math.NA physics.plasm-ph
Collisionless Reconnection in the Large Guide Field Regime: Gyrokinetic Versus Particle-in-Cell Simulations
首次验证了大导场$B_g / δB_0 \gg 1$的结果，给出了聚变磁重联的陀螺动力学模拟和日冕磁场重联相关的$β_i = 0.01$和太阳风磁场重联相关的$β_i = 1$，其中$δB_0$是重联场。粒子单元（PIC）模拟扫描宽范围的引导磁场强度，以测试收敛到陀螺极限。陀螺动力学模拟显示出高度的形态对称性，PIC模拟收敛时，$β_i B_g / δB_0 \gtrsim 1$和$B_g / δB_0 \gg 1$。在政权的收敛，重联率，相对能量转换，和整体的幅度被发现之间的PIC和gyrokinetic模拟匹配良好，这意味着gyrokinetic是能够作出准确的预测，以及在其制度的正式适用性。这些结果表明，在大的引导场限制许多量所产生的非线性演化的重联尺度线性与引导场。
2014-02-18 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Comparison between resistive and collisionless double tearing modes for nearby resonant surfaces
线性不稳定性和非线性动力学的碰撞（电阻）和碰撞（由于电子惯性）双撕裂模式（DTM）的比较与使用的一个简化的圆柱模型的托卡马克等离子体。我们专注于两个q = 2谐振表面位于一个小的距离分开的情况下。研究发现，无论是磁重联机制、电阻率还是电子惯性，增长最快的线性本征模都可能具有高的极向模数m ~ 10。在无碰撞的情况下，不稳定模的谱趋于更宽。在非线性制度，它示出，在这两种情况下，快速增长的高m DTM导致涉及小磁岛结构的环形崩溃。此外，由于无碰撞重连的可逆性和强ExB流，无碰撞DTM表现出多个重连循环。无碰撞重联导致一个饱和的稳定状态，而在碰撞的情况下，电阻衰减保持系统弱动态驱动它回到不稳定的平衡保持源项。
2007-04-05 physics.plasm-ph
Collisionless Reconnection in Magnetohydrodynamic and Kinetic Turbulence
最近有人提出（Loureiro & Boldyrev 2017; Mallet et et al. 2017），磁流体动力学（MHD）湍流中的惯性间隔在小尺度下不是由类似Kolmogorov的耗散区域终止，而是由撕裂不稳定性介导的新的亚惯性间隔终止。然而，许多天体物理等离子体几乎是无碰撞的，因此MHD近似不适用于小尺度的湍流。在这封信中，我们提出了扩展的理论的重联介导的湍流等离子体是如此弱的碰撞，发生在湍流涡旋的重联是由电子惯性，而不是电阻率。我们发现，重连介导的湍流的过渡尺度取决于等离子体β和等离子体湍流模型的假设。然而，在分析的所有情况下，在重新连接介导的间隔中的能谱范围从$E(k)dk\propto k^{-8/3}dk$到$E(k)dk\propto k^{-3}dk$。
2017-07-19 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Turbulent transport in 2D collisionless guide field reconnection
无碰撞等离子体中的输运通常被称为反常输运，这是由于粒子与自发湍流之间的相互作用。由于它的相关性，天体物理和空间等离子体，我们探讨了在电流片容易组件或导场重联，一个过程还没有得到很好的理解，湍流的激发。我们使用2.5D粒子在细胞（PiC）代码模拟分析的异常输运性质。我们分裂的平均，缓慢的变化（相对于快速湍流波动）的宏观观测，并确定的主要运输条款的广义欧姆定律。我们通过与独立确定的宏观电流的慢化率和湍流波动的一阶相关性获得的输运项进行比较来验证我们的发现。我们发现，湍流在导场重联的“低密度”分界线区域最为强烈。它是由流动不稳定性激发的，它主要是静电的，在空间中是“片状的”，因此是相关的准周期性异常输运。剩余的不可逆异常电阻率可以通过有效碰撞频率来参数化，有效碰撞频率范围从局部离子回旋到低混合频率。对由湍流平衡的缓慢变化的DC-电场的平行和垂直（对磁场）分量的贡献是相似的。然而，这种反常的电场比非对角压力项和欧姆定律的电子惯性项的贡献小。这一结果现在可以通过多航天器飞行任务MMS对地球磁层磁重联区域内和周围的湍流进行现场测量以及在MRX和VINETA-II等实验室实验中进行验证。
2017-02-13 physics.plasm-ph physics.space-ph
Plasma Mixing Driven by the Collisionless Kelvin-Helmholtz Instability: Insights from fully kinetic simulation and density-based diagnostics
KU Leuven（荷语鲁汶大学）；Royal Belgian Institute for Space Aeronomy（比利时皇家空间空气动力学研究所）；University of Wisconsin-Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）；National Research Council, CNR-ISTP（国家研究委员会等离子体科学与技术研究所）；Observatoire Côte d’Azur, Université Côte d’Azur（蔚蓝海岸天文台，蔚蓝海岸大学）；LPC2E, CNRS, Université d’Orléans（奥尔良大学CNRS LPC2E实验室）
研究通过全动能模拟和基于密度的诊断，探讨了无碰撞凯尔文-赫姆霍兹不稳定性驱动的等离子体混合的空间局部化、物种依赖性和物理机制，发现离子混合效率高于电子，混合与磁重联相关。
2026-03-19 physics.plasm-ph physics.space-ph
Scaling of magnetic reconnection in relativistic collisionless plasmas
利用全动力学模拟，研究了无碰撞磁重联的流入速度从非相对论极限到超相对论极限的标度。在反平行配置中，流入速度随着上游磁化参数$σ$而增加，并且当$σ> O(100)$时接近光速，从而导致增强的重连率。在所有区域中，压力张量的发散是打破x线冻结条件的主要因素。所观察到的缩放同意一个简单的模型，占洛伦兹收缩的等离子体通过扩散区。结果表明，扩散区的纵横比在非相对论和相对论极限下都保持$\sim 0.1$。
2014-10-13 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Physics of collisionless reconnection in a stressed X-point collapse
最近，我们用动力学的、2.5维的、完全电磁的、相对论的Particle-in-Cell数值程序[D. Tsiklauri和T.等离子体，14，112905（2007）]。在这里，我们通过解决关键的悬而未决的物理问题来完成对这一主题的调查。本文证明：（i）磁场零点处的面外电场重联是由电子压力张量的非对角项产生的，类似于GEM重联挑战所研究的撕裂不稳定Harris电流片的情况：（ii）当m_i / m_e >> 1时，重联通量的时间演化与离子电子质量比无关;在m_i / m_e = 1的情况下，当Hall项为零时，重联过程缓慢;当m_i / m_e >> 1时，重联过程缓慢（即霍尔项是非零的）重联是快速的，并且我们推测这是由于磁场被冻结到电子流体中，电子流体比离子流体移动得更快;（iii）在一个阿尔芬时间内，略低于初始总数的一半（40%）（大致为磁）能被转换成电子的动能，并且略多于一半（60%）被转换成离子的动能（类似于太阳耀斑观测）;（iv）在强应力X点的情况下，在大约一个阿尔芬时间内，对于超热电子（也与太阳耀斑观测相当），在速度分布的所有三个空间方向上看到完全各向同性。
2008-09-25 astro-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
Suppression of the collisionless tearing mode by flow shear: implications for reconnection onset in the Alfvénic solar wind
本文分析强剪切流对无碰撞撕裂模的抑制效应，发现阿尔芬速度剪切流可完全稳定该模，并改变其标度行为，从而解释帕克太阳探测器观测到的近太阳阿尔芬太阳风中重联事件稀少。
2025-08-05 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Phase Diagram for Magnetic Reconnection in Heliophysical, Astrophysical and Laboratory Plasmas
用相图概括了磁重联物理学的最新进展，该相图为太阳物理学、实验室和天体物理学中的各种应用组织了基本动力学。两个关键的无量纲参数是伦德奎斯特数和宏观系统的离子声回旋半径的单位尺寸。除了传统的单X线碰撞和无碰撞阶段，多个X线重联阶段出现由于存在的等离子体团不稳定性无论是在碰撞和无碰撞电流片。特别是，存在一个独特的阶段，称为“多X线混合相”，其中碰撞岛或等离子体团的层次是由碰撞电流片终止，导致在宏观和动力学尺度之间的快速耦合和碰撞和无碰撞动力学的混合。涉及多X线和无碰撞物理的新阶段可能对磁重联的新兴应用很重要，以加速带电粒子超过其热速度。大量的太阳物理和天体物理等离子体被调查和分组在相图：地球磁层太阳等离子体（色球层、日冕、风和速跃层）、银河系等离子体（分子云、星际介质、吸积盘及其日冕、蟹状星云、Sgr A*、伽马射线暴、磁星）、河外等离子体（活动星系核盘及其日冕、星系团、射电瓣和河外喷流）。实验室实验的意义，包括下一代重联实验，也进行了讨论。
2011-09-04 astro-ph.IM physics.plasm-ph physics.space-ph
Explosive magnetic reconnection caused by an X-shaped current-vortex layer in a collisionless plasma
在考虑电子惯性和温度影响的双流体模型中，通过分析无碰撞撕裂模的非线性演化，研究了爆炸性磁重联的机制.这些效应相互配合，通过形成以重联点为中心的X形电流涡旋层，实现快速重联。对满足$d_e=ρ_s$的空前小的电子趋肤深度$d_e$和离子声回旋半径$ρ_s$的该模型的高分辨率模拟显示出撕裂模的非线性增长的爆炸性趋势，最新发现，X-形状层局部地出现在重连点周围，其中X形状的长度短于畴长度，并且X形状层的波长短于畴长度。线性撕裂模式这种局部增强的重联发病的原因是理论上解释了开发一种新的非线性和非平衡的内部解决方案，模拟本地X形层，然后匹配到一个外部的解决方案，这是近似的线性撕裂本征模与较短的波长比域长度。该理论模型证明了局域重联能比整体重联更有效地释放磁能，并且爆炸增长率的估计标度与模拟结果吻合较好。
2015-03-23 physics.plasm-ph
Vlasov simulations of collisionless magnetic reconnection without background density
模拟无碰撞重联的一个标准起点是哈里斯平衡，它由一个电流片组成，该电流片将两个相反的磁场区域分开。磁流体动力学模拟无碰撞重联通常包括一个均匀的背景密度的原因，数值稳定性。虽然在某些情况下，这是一个现实的假设，但背景密度可能会引入新的影响，这是由于分布函数的结构更加复杂，或者由于阿尔文速度在远离当前片的地方仍然是有限的。我们提出了一个完全动力学Vlasov模拟扰动哈里斯平衡使用Vlasov代码。选择参数以匹配地球空间环境建模（GEM）磁重联挑战，但不包括背景密度。这允许与包括背景密度的早期模拟[Schmitz，Grauer，Phys. Plasmas 13（2006）092309]进行比较。结果发现，背景密度的情况下，导致重联率较高。另一方面，直到重新连接开始的时间几乎不受影响。再次的非对角元素的压力张量被发现是重要的X-线，但修改的重要性，为个别条款。
2006-12-08 physics.comp-ph physics.plasm-ph
