Determination of turbulent heating rate and relaxed states in finite Larmor radius magnetohydrodynamic turbulence with helicity barrier
Indian Institute of Technology Kanpur(印度坎普尔理工学院)
本文研究了有限兰姆半径磁流体动力学湍流中能量和广义螺旋度的 cascade 法律,揭示了强螺旋度失衡导致的 helicity 障碍,从而得出离子加热率的计算方法,并推导了松弛状态的特性。
2026-04-30 physics.plasm-ph physics.space-ph
Compressibility in turbulent MHD and passive scalar transport: mean-field theory
本文采用准线性近似和谱$τ$方法,发展了湍流磁流体力学和被动标量输运中压缩性效应的平均场论。我们发现,可压缩性降低了$α$效应和湍流磁扩散率在小和大的磁雷诺数,Rm。同样,可压缩性降低了被动标量在小和大的Péclet数,Pe的湍流扩散系数。另一方面,对于大的Rm,可压缩性不影响磁场的有效泵浦速度,但是对于小的Rm,可压缩性使其减小。密度分层导致被动标量的湍流泵送,但它被发现变得越来越弱的可压缩性。对于磁场,不存在这样的泵浦效应。然而,可压缩性的结果在一个新的被动标量泵效应从低到高的湍流强度的区域,无论是小的和大的Péclet数。它可以被解释为非惯性颗粒和气体混合物的可压缩的turbophoresis,而经典的turbophoresis效应只存在于惯性颗粒,并导致它们被泵送到湍流强度较低的区域。
2018-08-29 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Plasmoid-dominated Turbulent Reconnection in a Low $β$ Plasma
采用电阻磁流体动力学(MHD)方法研究了低$β$背景等离子体中等离子体团主导的湍流重联特性。在$β_{\rm in} < 1$区域,其中$β_{\rm in}$是流入区域的等离子体$β$,重联位置由激波和激波相关结构主导,等离子体压缩是显著的。当$β_{\rm in}$减小时,有效重连率从$0.01$增加到$0.02$。我们假设等离子体压缩允许更快的重联率,然后我们估计的加速因子,基于可压缩MHD理论。我们验证了我们的预测通过一系列的MHD模拟。这些结果表明,在日冕的$β\ll 1$环境中,等离子体团占主导地位的重联可以比预期的快两倍。
2020-04-22 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
The Parametric Decay Instability of Alfven waves in Turbulent Plasmas and the Applications in the Solar Wind
利用三维理想磁流体动力学(MHD)模拟研究了湍流等离子体中Alfven波的参数衰减不稳定性,并探讨了其在太阳风中的应用.我们发现,在一个广泛的参数范围内的背景湍流振幅,具有不同振幅的阿尔芬波的参数衰减不稳定性仍然可以发生,虽然它的增长率往往低于理论线性理论预测和在非湍流的情况下。参量衰变不稳定性产生的密度涨落的时空FFT分析与慢磁流体波的色散关系吻合得很好。这一结果可以解释在1天文单位观测到的太阳风中慢波的产生机制。它进一步突出了需要探讨密度变化在修改湍流特性以及在加热太阳风等离子体方面的影响。
2017-05-10 physics.plasm-ph physics.space-ph
Sub-Grid-Scale Description of Turbulent Magnetic Reconnection in Magnetohydrodynamics
磁重联至少在局部需要非理想的等离子体响应。在无碰撞的空间和天体物理等离子体中,湍流可以允许这种情况,而不是太罕见的二元碰撞。我们研究了湍流对重联率的影响,在一个单一的流体可压缩MHD方法的框架。我们的目标是找出,无论是未解决的,亚网格的MHD模拟,湍流可以增强重联过程中的高雷诺数天体物理等离子体。根据Yokoi的模型(Yokoi(2013)),我们与网格尺度MHD方程同时求解亚网格湍流能量和交叉螺旋度的演化方程,其中湍流是自生的,并通过平均场的不均匀性维持。Harris和无力片的模拟证实了Higashimori等人(2013)的结果,并获得了关于大雷诺数下电阻率依赖性以及引导场效应的新结果。从大尺度到小尺度的能量转移的量是增强的情况下,快速湍流重联和能谱被用来解释所获得的制度控制的湍流时间尺度$τ_t$的重联。只要湍流的初始水平不是太大,对于由背景分子电阻率$η$控制的较大雷诺数,整个过程甚至更快。这表明在大雷诺数情况下,湍流对快速重联起着重要作用,而湍流的振幅仍然可以很小。
2015-11-29 physics.plasm-ph physics.space-ph
A heuristic model for MRI turbulent stresses in Hall MHD
虽然Shakura-Sunyaev $α$粘度公式在表征无数天体物理环境方面非常成功,但已证明它在模拟MRI驱动的湍流应力方面部分不足。因此,我们采用\citet{GIO03}所采用的方法,但在霍尔磁流体力学(MHD)的背景下,研究MRI湍流。我们利用精确的演化方程的应力,并通过调用量纲分析和物理考虑关闭的非线性项。我们表明,包含霍尔项导致非平凡的结果,包括修改的雷诺和麦克斯韦应力,以及(渐近)之间的动能和磁能的非均分;后者的问题也通过非线性波的分析来解决。的动能和磁能的渐近比示出为\emph{independent}的初始条件的选择,但它是由\emph{Hall parameter}。我们将我们的模型与小尺度发电机理论的卡赞采夫处方进行了对比,霍尔项在后一种方法中没有贡献,说明了卡赞采夫形式主义的局限性。我们指出我们的模型,包括太阳风,缺乏均分已被观察到潜在的天体物理应用。
2016-04-25 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Nature and Scalings of Density Fluctuations of Compressible MHD Turbulence with Applications to the Solar Wind
太阳风是一种磁化的、湍流的等离子体。它的湍流通常由阿尔夫维尼克波动主导,并且通常被认为在远离太阳的地方几乎不可压缩,如1AU附近的现场测量所示。然而,对于更靠近太阳的太阳风,等离子体$β$减小(通常低于1),而湍流马赫数$M_t$增加(可以接近1,例如,跨音速波动)。这些条件可能会产生明显更强的可压缩效应,其特征是密度波动增强,正如几次空间飞行任务所看到的那样。本文对湍流进行了一系列三维MHD模拟,以了解可压缩湍流的性质,特别是密度波动的产生。我们发现,在等离子体$β$、交叉螺旋度和多方指数的很宽的参数空间范围内,湍流密度涨落的尺度线性地作为$M_t$的函数,其尺度系数对参数的依赖性很弱.此外,通过详细的时空分析,我们表明,密度波动是由低频非线性结构,而不是可压缩MHD本征波。这些结果对于理解可压缩湍流如何有助于太阳附近的太阳风加热可能是重要的。
2022-07-19 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Solar wind turbulent cascade from MHD to sub-ion scales: large-size 3D hybrid particle-in-cell simulations
采用大尺寸三维混合粒子模拟方法研究了无碰撞等离子体中从流体尺度到动力学尺度的湍流级联的光谱特性。最初各向同性的Alfvènic波动迅速发展成强烈的各向异性湍流级联,主要是在垂直于环境磁场的方向上。全方位磁场谱在近二十年的波数中表现出双幂律行为,在大尺度上具有Kolmogorov指数,在离子尺度附近出现谱断裂,在亚离子尺度上出现陡峭化。在磁流体动力学(MHD)和动力学尺度下,在离子体速度、密度和电场的谱中也观察到幂律。尽管复杂的结构,全向光谱的所有字段在离子和子离子尺度是显着的定量协议与那些具有类似的物理参数的二维(2D)模拟。这提供了动力学尺度下2D近似的部分后验验证。相反,在MHD尺度下,密度和速度(以及电场)的谱在2D和3D情况下表现出差异。虽然它们可以部分归因于较低的空间分辨率,但主要原因可能是在完整的几何形状中可压缩效应的更大重要性。我们的研究结果也与太阳风观测结果在数量上非常吻合。
2017-11-07 astro-ph.SR physics.space-ph
Particle Trapping and Acceleration in Turbulent Post-flare Coronal Loops
本研究针对太阳耀斑后环内MHD湍流中的高能电子行为,借助MPI-AMRVAC 3.0模拟探究湍流级联与粒子捕获、加速的关联,构建含非热粒子贡献的HXR谱,为日冕辐射模拟与观测对比提供基础。
2024-03-11 astro-ph.SR physics.space-ph
MHD turbulence formation in solar flares: 3D simulation and synthetic observations
本研究通过含磁重联的三维MHD模拟重现太阳耀斑湍流,揭示其由重联出流与磁拱非线性作用、KHI驱动形成,验证了湍流与高能电子的关联及能量转化效率。
2022-10-18 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Fast and Differentiable MHD Surrogate for Solar Wind using Neural Operator
University Corporation for Atmospheric Research(大气研究大学联盟);Space Weather TREC, University of Colorado(科罗拉多大学空间天气TREC);Queen Mary University of London(伦敦大学玛丽女王学院);National Center for Atmospheric Research(国家大气研究中心);University of Michigan(密歇根大学)
本文提出SNOW,一种基于神经算子的快速可微代理模型,用于全球MHD太阳风模拟,在单GPU上不到一秒生成完整三维解,并保持物理结构准确性。
2026-10-06 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
MHD Turbulence: Scaling Laws and Astrophysical Implications
湍流是天体物理流动最常见的状态。在典型的天体物理流体中,湍流伴随着强磁场,这对湍流级联的动力学有很大的影响。近年来,磁流体动力学(MHD)湍流理论取得了重大突破。这是我们第一次有一个尺度模型,是由观测和数值模拟支持。本文综述了不可压缩湍流和可压缩湍流的研究进展。我们比较了Iroshnikov-Kraichnan和Goldreich-Sridhar模型,并讨论了Alfvén,慢波和快波的标度。我们还讨论了全新的制度下发生的MHD湍流的尺度下,流体动力学湍流运动阻尼的粘性。在部分电离的弥漫星际气体的情况下,粘性是由于中性和截断湍流级联在$\sim$秒差距尺度。我们表明,在这个尺度下,磁波动与浅谱持续和讨论的可能性后,离子和中性粒子去耦恢复的MHD级联。我们讨论了这一新的洞察力的宇宙线输运,晶粒动力学等MHD湍流的影响,以及如何检验理论预测与观测结果。
2002-05-17 astro-ph physics.ao-ph physics.flu-dyn
Embedded coherent structures from MHD to sub-ion scales in turbulent solar wind at 0.17 au
本研究利用帕克太阳探测器数据,在0.17 au处分析太阳风磁湍流,发现从MHD到亚离子尺度均存在嵌入式相干结构,且阿尔芬涡旋在所有尺度占主导,而非电流片,表明涡旋是湍流的重要构建块。
2024-05-30 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Estimation of turbulent heating of solar wind protons at 1AU
本文提出了一种利用等离子体矩和磁场资料计算太阳风湍流加热的新方法。我们发展了这种方法,并将其应用于计算1AU的太阳风质子等离子体的湍流加热。该方法利用了膨胀的太阳风等离子体的两个物理性质:波粒热力学平衡和熵率输运。我们分析等离子体矩和场数据从风S/C,以计算(i)波动的磁能,(ii)相应的相关长度,和(iii)湍流加热率。我们确定了它们与太阳风速度的关系,以及这些关系相对于太阳风和行星际日冕物质抛射等离子体的变化。
2020-12-09 physics.space-ph
Solar wind turbulence from MHD to sub-ion scales: high-resolution hybrid simulations
我们提出的结果从一个高分辨率和大规模的混合(流体电子和粒子在细胞质子)的二维数值模拟的衰减湍流。两个不同的光谱区域(在质子尺度上被一个平滑的间断分开)以清晰的幂律标度发展,每个区域占据大约十年的波数。模拟结果同时表现出所观察到的太阳风波动的几个属性:磁流体动力学(MHD)的惯性范围内的磁,动能,和剩余能量谱的谱指数,随着平坦的电场谱,磁压缩性的增加,以及强耦合的级联与密度和平行分量的磁波动在亚质子尺度。我们的研究结果支持的解释,在太阳风大规模的MHD波动自然演变超出质子尺度的湍流制度,是由广义欧姆定律。
2015-04-18 astro-ph.SR physics.space-ph
Modeling Statistical Properties of Solar Active Regions through DNS of 3D-MHD Turbulence
太阳光球湍流磁场的统计特性,特别是活动区(AR)的统计特性,已经使用SOHO和其他几种仪器拍摄的磁图的视线数据进行了研究(例如,参见Abramenko等人(2002,2003),Abramenko和Yurchyshyn(2010))。这包括结构函数及其指数、平坦度曲线和关联函数。在这些工作中,结构函数指数($ζ_p$)的顺序的结构函数($\it{p}$)的依赖性建模使用非间歇K41模型。现在众所周知,AR是高度动荡的,并与强间歇性事件有关。在本文中,我们比较了Abramenko等人(2003)的一些观察结果与用于模拟间歇性MHD湍流的对数泊松模型(Biskamp 2003)。接下来,我们分析的结构函数数据从直接数值模拟(DNS)的均匀,不可压缩的三维MHD湍流在三种情况下:持续强迫,自由衰减和流动最初驱动,后来允许衰减(情况3)。相应的DNS复制了AR的$ζ_p$对$\it{p}$的图中所见的属性。我们还再现了在平坦度[Abramenko和Yurchyshyn(2010)]和AR的关联函数[Abramenko等人(2003)]中观察到的不稳定性的趋势和变化。从这个分析中,它建议在耀斑的发作阶段的AR可以被视为一个强制的3D-MHD湍流系统在其最简单的形式和耀斑阶段是衰减的3D-MHD湍流的代表。它还推断,显着的变化,从耀斑的初始发作阶段,其最终的峰值耀斑阶段,是由系统所需的时间,以…
2013-07-16 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.geo-ph
Predicting the Solar Wind at Parker Solar Probe Using an Empirically Driven MHD Model
自2018年8月12日发射以来,帕克太阳探测器(PSP)已经完成了绕太阳的第一次和第二次轨道,在每个近日点达到了35.7个太阳半径。在这种前所未有的距离令人兴奋的新数据的预期中,我们已经模拟了全球三维日光层使用MHD模型加上半经验日冕模型,使用最好的光球磁图作为输入。我们比较我们的日光层MHD模拟结果与现场测量沿PSP轨迹从其发射到完成的第二个轨道,特别强调的太阳风结构周围的前两个太阳能遇到。此外,我们还展示了我们对2019/09/01发生的第三个近日点的模型预测。MHD结果与PSP观测结果的比较为太阳风加速提供了新的认识。此外,PSP观测揭示了ADAPT-WSA预测在整个日光层内部工作的准确性。
2019-12-05 astro-ph.SR physics.space-ph
On the low-frequency boundary of Sun-generated MHD turbulence in the slow solar wind
研究了慢太阳风湍流加热和加速的新方面。本文研究了太阳大气和太阳风中阿尔文波湍流谱下界的物理意义,论证了这一自然参数的意义。通过分析和定量处理的问题,我们表明,截断的波谱从较低的频率侧,这是一个后果的太阳磁场结构和它的周期性变化,结果显着减少的产热和加速率。一个适当的分析与现有的观测数据和缓慢的太阳风启动的情况下考虑的问题的联系。
2012-04-14 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.space-ph
Spectral Properties of Solar Wind Charge Exchange from Earth's Magnetospheric Boundaries: MHD and Test Particle Simulations
University of Warwick(华威大学);Imperial College London(伦敦帝国学院);University of Leicester(莱斯特大学);Space Park Leicester(莱斯特太空公园)
本文通过Gorgon MHD与XIM粒子模拟,研究地球磁层边界SWCX的X射线发射,发现磁鞘和尖点增强发射及磁层顶betatron加速相关发射,为SMILE等X射线观测提供预测。
2026-09-29 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.comp-ph
A Fresh Look into the Interaction of Exoplanets Magnetosphere with Stellar Winds using MHD Simulations
本研究利用 GAMERA MHD 代码模拟不同恒星与行星类型的星际磁场相互作用,并探讨了轨道距离与潮汐锁定对磁层-电离层系统总功率的影响。
2024-04-22 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.space-ph
Observation of an MHD Alfvén vortex in the slow solar wind
在太阳风中,磁场的功率谱通常呈现几种幂律。在本文中,磁场数据从集群任务在一个未受干扰的时间间隔缓慢的太阳风进行了分析,在0.28赫兹,附近的离子惯性和耗散/色散范围之间的频谱断点。假设泰勒冻结条件,它对应于质子动力学标度$kv_A/Ω_p \sim 0.38$,其中$v_A$和$Ω_p$分别是阿尔文速度和质子角回转频率。数据显示,星团航天器通过了一系列波包。发现一个强孤立波包与四个星团卫星穿过一个Alfvén涡相一致,这是不可压缩MHD方程的一个非线性解。来自四颗卫星的数据与半径为$40$乘以当地质子陀螺半径数量级的模型涡旋之间存在高度一致。在不同的航天器的偏振进行了比较,并发现同意涡模型,而它不能单独解释的线性平面波的方法。
2016-02-24 astro-ph.SR physics.space-ph