The Efficiency of Second-Order Fermi Acceleration by Weakly Compressible MHD Turbulence
我们调查的俯仰角散射的效率粒子加热和加速MHD湍流使用唯象的估计和模拟的非相对论性测试粒子与强，亚音速MHD湍流的相互作用。我们包括一个强加的俯仰角散射率，这是为了近似高频等离子体波和/或速度空间不稳定性的影响。我们专注于等离子体参数类似于那些发现在近地太阳风，虽然我们的大多数结果是更广泛的适用。一个重要的控制参数是颗粒平均自由程lambda_{mfp}相对于湍流波动尺度L的大小。对于小的散射率，粒子与磁场强度的湍流波动准共振地相互作用。散射增加了这种谐振加热的长期效率的几个-10的因素，但分布函数并没有开发一个显着的非热幂律尾部。对于更高的散射率，粒子和湍流波动之间的相互作用变得非共振，由粒子加热和冷却，因为它们遇到湍流密度波动。快速俯仰角散射可以在质子分布函数中产生幂律尾，但这需要微调参数。此外，在近地太阳风中，由于粒子加速时间尺度比太阳风膨胀所设定的绝热冷却时间尺度长，因此这种机制不能产生显著的幂律尾。因此，我们的结果意味着磁流体动力学尺度的湍流波动不太可能是在太阳风中观测到的质子分布函数中v^{-5}尾的起源。
2013-08-23 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Particle acceleration in strong MHD turbulence
磁流体动力学（MHD）湍流中粒子的非热加速在许多天体物理场中起着重要作用。这个物理是在强湍流的背景下解决的，由相干结构而不是波组成，超出了准线性理论的范围。本说明书按照原始费米方案的精神，通过一系列帧来跟踪粒子的动量，其中电场消失。它将能量增益（或损失）的来源与磁场线的速度梯度（特别是沿场线方向投影的它们的速度流的加速度和剪切）以及它们在横向平面中的压缩相联系。这些速度梯度受到强烈的不稳定性：它们是空间局部化的，其强度服从幂律分布，如通过约翰霍普金斯大学数据库的不可压缩MHD模拟中的直接测量所示。这种不稳定性以一种重要的方式影响了加速过程，这为丰富的现象学开辟了前景。特别是，动量分布，这是在这里捕获通过分析随机游走模型，显示扩展的幂律尾巴与软到硬的演变的时间，在一般协议与最近的动力学数值模拟。扩展这种描述和可能的探索途径进行了讨论。
2021-10-05 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Test particle sampling and particle acceleration in a 2D coronal plasmoid-mediated reconnecting current sheet
University of Oslo（奥斯陆大学）；University of Glasgow（格拉斯哥大学）
本文利用试验粒子与引导中心近似，在二维日冕扇-脊拓扑MHD快照中研究等离子体团介导重联电流片内的电子加速，发现非热电子仅在磁零点附近通过betatron加速获得能量，并指出引导中心近似和采样方法会显著影响非热幂律的估计。
2025-09-29 astro-ph.SR
GPU Acceleration of an Established Solar MHD Code using OpenACC
GPU加速器对许多学科的高性能计算产生了显着的影响。它们以低成本/低功耗提供高性能，因此已成为许多大型超级计算机的主要计算资源。在这里，我们使用OpenACC以完全可移植的单源方式在Solar MHD代码（MAS）中实现多GPU加速。我们的初步实施是集中在MAS运行在一个减少物理“零测试”模式。虽然它本身很有价值，但我们的主要目标是为一个完整的物理学，热力学MHD实现铺平道路。我们描述了OpenACC的实施方法和挑战。在多CPU和多GPU系统上显示了生产级磁通绳喷发模拟的“时间解决方案”性能结果。我们发现，GPU加速的MAS代码有能力在一个单一的多GPU服务器上运行“零测试”模拟的速度，以前需要多个CPU服务器节点的超级计算机。
2018-11-06 astro-ph.SR cs.DC cs.PL
Particle acceleration at reconnecting separator current layers
本工作的目的是调查和重新连接磁分离器的三维磁流体动力学（MHD）模型中的粒子行为。我们使用相对论导向中心测试粒子代码调查电子和质子加速的快照从3D MHD分离器重联实验，并比较结果从分析分离器重联模型研究在以前的调查。分析和数值分离器重联模型的行为和加速的大分布的颗粒进行了详细研究。加速粒子轨道轨迹示出，以遵循分离器之前离开系统沿分界线表面的零点（由粒子种类确定）在两个模型的系统。分离器周围足够局部化的电场导致轨道看起来反而沿着限定分界线表面场线的脊。我们分析和讨论的位置和传播的加速粒子轨道的最终位置，这是随着时间的推移而改变的数值分离器重联模型。我们推导出粒子轨道的最终能量范围和模型尺寸之间的一个简单的关系，并讨论了它的影响，在太阳日冕中观察到的磁分离器。
2015-11-12 astro-ph.SR
A Steady-State Picture of Solar Wind Acceleration and Charge State Composition Derived from a Global Wave-Driven MHD Model
与快速流相比，在慢速（$<$ 400 km s $^{-1}$）太阳风流中发现的更高的电荷状态支持了慢风起源于封闭的日冕环并通过重连间歇性释放的假设。在这里，我们研究是否一个高度电离的慢风也可以形成沿稳定和开放的磁场线。我们使用AWSoM模型的稳态太阳大气，一个全球磁流体动力学模型驱动的Alfv{é}n波，并应用电离代码来计算电荷状态的演变沿建模的开放场线。这构成了覆盖现实磁场中所有纬度的第一电荷状态计算。的比率$O^{+7}/O^{+6}$和$C^{+6}/C^{+5}$相比，在现场观测，并被发现是较高的慢风，观察到的，但是，他们在两种风类型的预测。建模的离子分数的S，Si和Fe被用来计算线的视线强度，这是比较的EIS观测以上的冕洞。该协议是部分的，并表明所有的电离率都低于预测。假设超热电子的存在，改善了与EIS和ESTA观测的一致性;重要的是，保持了慢风中较高电离的趋势。结果表明，可能存在一种稳定且高度电离的慢风子类。进一步的分析表明，它起源于日冕洞边界（CHB），其中模拟的电子密度和温度高于洞内，导致更快的电离。CHB的这种性质是全球性的，并且得到EUV层析成像的观测支持。
2014-12-29 astro-ph.SR
Combining MHD and kinetic modelling of solar flares
太阳耀斑是日冕中的爆炸事件，表示由于磁重联，磁能快速转化为热能和动能，从而产生辐射。建模对于理解和预测这些事件至关重要。然而，自洽的建模是非常困难的，由于巨大的空间和时间尺度之间的分离过程涉及热等离子体（通常认为使用磁流体动力学（MHD）的方法）和非热等离子体（需要一个动力学的方法）。在这篇小型评论中，我们考虑了不同的方法，旨在弥合太阳耀斑的流体和动力学模型之间的差距。两种类型的方法进行了讨论：结合MHD/测试粒子（MHDTP）模型，可用于模拟燃烧的日冕与相对较少的高能粒子，和混合动力流体动力学方法，可用于模拟更强的事件与更多的高能粒子。两个具体的例子进行了更详细的讨论：MHDTP模型的磁重联和粒子加速扭结不稳定扭曲的日冕环，和一个新的减少动力学模型的粒子运输。
2018-09-26 astro-ph.SR
Fan-spine topology formation through two-step reconnection driven by twisted flux emergence
我们解决了形成的三维零点拓扑结构的太阳日冕相结合的Hinode/XRT观测的一个小的动态肢体事件，发生在旁边的非爆发的日珥腔，与三维零β MHD模拟。为此，我们的模型边界驱动的运动学出现一个紧凑的，强烈的，均匀扭曲的磁通管成一个潜在的领域拱廊，覆盖在弱扭曲的日冕磁通绳。日冕中出现的磁通量的膨胀导致在出现的场和预先存在的场的界面处形成零点。我们揭示了一个两步重联过程中的零点，最终产生的形成一个广泛的三维风扇脊柱配置以上新兴的双极。第一次重新连接涉及新兴领域和一套大规模的拱廊场线。它的结果在发射的扭转MHD波，沿拱廊传播，并在形成剪切回路系统的一侧出现的通量。第二次重联发生在这些新形成的环和遥远的拱廊场之间，并在出现的通量的对面形成第二个环系统。这两个环路系统共同显示了位于扇形表面下方的风幕模式。围绕着零点的内脊场线的磁通量保留了出现的扭曲的一小部分，而剩余的扭曲沿着重新连接的拱圈被疏散。在模拟中发生的特征的性质和时间确实在本文中研究的特定事件中质量再现了XRT观察到的特征。此外，两步重联过程提出了一个新的一致的和通用的模型在太阳日冕的海葵区域的形成。
2009-09-11 astro-ph.SR
Particle acceleration with anomalous pitch angle scattering in 2D MHD reconnection simulations
太阳耀斑期间磁能向其它形式的转换是太阳物理学中一个悬而未决的开放性问题。人们普遍认为，磁重联在这些转换过程中起着至关重要的作用。为了实现太阳耀斑中所需的快速能量释放，在磁流体重联模拟中经常使用比斯皮策电阻率高几个数量级的异常电阻率。斯皮策电阻率是基于库仑散射，这变得可以忽略不计的高能量实现加速粒子。因此，重联事件中粒子加速的模拟通常在加速粒子与任何背景等离子体之间没有任何相互作用的情况下进行。对于由太阳耀斑内的湍流引起的异常电阻率相关的散射，情况不一定如此，因为较高的电阻率意味着较高的散射率。我们目前的测试粒子的计算结果，有和没有俯仰角散射，受到来自二维（2D）X点重联的MHD模拟领域。散射率的比例的异常电阻率的局部斯皮策电阻率，以及在固定值，被认为是。俯仰角散射，这是独立的异常电阻率，导致更高的最大能量相比，没有散射。依赖于局部异常电阻率的散射率倾向于产生较少的高能量化粒子，这是由于在分界线中的散射较弱，即使在电流片中的散射可能比与电阻率无关的散射更强。强散射也会导致在重联流出区域中离开计算箱的粒子数量增加，而不是沿着分离面，因为在没有散射的情况下。
2017-07-26 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Particle-In-Cell Simulation of Electron Acceleration in Solar Coronal Jets
我们研究了一个新出现的、扭曲磁通量绳和一个预先存在的、弱的、开放的磁场之间的三维磁重联引起的电子加速。我们首先遵循一个不稳定的，扭曲的磁通管的电阻MHD模拟的数值分辨率提高，通过使用固定的网格细化的上升。与以前类似情况的MHD研究一样，通量管上升进入预先存在的倾斜日冕磁场导致形成日冕喷流。然后，MHD模型的快照被用作粒子模拟的初始和边界条件，使用多达5亿个细胞和超过200亿个带电粒子。粒子加速主要发生在重联电流片中，加速的电子在能量概率分布中显示幂律，指数约为-1.5。主要的加速机制是系统电场，其努力维持电流片中的电流，以防止由于电子不能在电流片中一次停留超过几秒而引起的损失。
2012-11-06 astro-ph.SR physics.plasm-ph
First-principles Fermi acceleration in magnetized turbulence
该工作提供了E.磁流体动力学（MHD）湍流中粒子加速的费米模型，将磁流率与磁场线的速度梯度联系起来，并在湍流不稳定性的多重分形图像中表征。然后推导出分布函数在动量空间中的输运方程。这种描述被证明是由一个大规模的数值模拟强MHD湍流。目前，一般的框架可以用来模拟粒子加速在各种环境中。
2022-10-03 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Effect of collisions and magnetic convergence on electron acceleration and transport in reconnecting twisted solar flare loops
本文研究了在不稳定扭曲冕环中粒子加速模型与磁重联MHD模型的耦合。扭结不稳定性导致形成具有强平行电场的螺旋电流，从而导致电子加速。电子在重联环的电场和磁场中的运动研究使用的测试粒子的方法，考虑碰撞散射。讨论了库仑碰撞和磁会聚对高能电子布居的空间分布和能谱的影响，以及对太阳耀斑中硬X射线辐射的可能影响。
2015-01-26 astro-ph.SR
An Extension of the Theory of Kinematic MHD Models of Collapsing Magnetic Traps to 2.5D with shear flow and to 3D
内容：在太阳耀斑期间，大量的带电粒子被加速到高能量，但到目前为止，对此负责的确切机制仍然不清楚。塌缩磁阱中的加速度是提出的机制之一。目的：在本文中，我们要扩展以前的二维模型塌陷磁陷阱的三维模型和二维模型与剪切流。方法：利用运动学磁流体动力学（MHD）方程的解析解建立模型。粒子轨道的计算使用的指导中心近似。结果如下：我们提出了一个一般的理论框架，在三维和二维剪切流的崩溃磁陷阱的运动学MHD模型。一些说明性的例子崩溃的陷阱模型，连同一些粒子轨道的初步研究。对于这些示例轨道，能量大致增加了5或6倍，这与先前2D模型中发现的能量增加一致。
2009-10-20 astro-ph.SR
Particle acceleration and transport in reconnecting twisted loops in a stratified atmosphere
扭曲的日冕环在日冕中应该是普遍存在的。扭曲的磁场中含有多余的磁能，在磁重联过程中会释放出来，从而引起太阳耀斑。这项工作的目的是调查磁重联，粒子加速和扭结不稳定的扭曲日冕环的运输，重点是电阻率，环的几何形状和大气层结的影响。另一个目的是执行前向建模的韧致辐射的排放和确定硬X射线源的结构。我们使用磁流体动力学（MHD）和测试粒子的方法相结合。首先，利用电阻性MHD模型，考虑了大气层结和冕环曲率的影响，讨论了扭折冕环的演化。然后，得到的电场和磁场和密度分布被用来计算电子和质子的轨迹，使用一个指导中心近似，考虑到库仑碰撞。结果表明，扭曲日冕环中的电场可以有效地加速质子和电子的能量高达10 MeV。高能粒子具有坚硬的、接近幂律的能谱。高能粒子占据的体积表现出径向膨胀，这导致可见硬X射线环的膨胀和硬X射线足点面积的逐渐增加。合成的硬X射线辐射揭示了强的足点源和扩展的日冕源，其强度强烈依赖于日冕环密度。
2015-01-26 astro-ph.SR
Anisotropic magnetohydrodynamic turbulence driven by parametric decay instability: the onset of phase mixing and Alfvén wave turbulence
我们进行了三维磁流体动力学（MHD）模拟的参数衰减不稳定性的Alfvén波和由此产生的可压缩MHD湍流，这是可能发展的太阳风加速区。由于平均磁场的存在，非线性阶段的特征在于类似于顺磁结构和各向异性级联。通过计算相混合的时间尺度和Alfvén波湍流的演化，发现非线性阶段的早期主要是相混合，而后期主要是不平衡的Alfvén波湍流。结果表明，太阳大气中密度起伏较大的区域，如日冕底部和风加速区，主要由相位混合阿尔芬波加热，而其它区域主要由阿尔芬波湍流加热.
2018-05-25 astro-ph.SR
Forward modelling of particle acceleration and transport in an individual solar flare
本研究的目的是生成太阳耀斑中高能电子产生的硬X射线辐射图，并将其与观测结果进行比较。最终目标是测试结合MHD/测试粒子方法的可行性，用于日冕活动事件及其对日光层的影响的数据驱动建模。基于2017年9月8日观测到的X级太阳耀斑的MHD模型，我们利用相对论导向中心方法计算了大量电子和质子的运动轨迹。使用所获得的粒子轨迹，我们推导出的空间和能量分布的高能电子和质子，并计算韧致辐射硬X射线发射使用“薄靶”近似。我们的方法预测了所考虑的耀斑中高能粒子的一些关键特征，包括加速区域的大小和位置，高能粒子的轨迹和能谱。最重要的是，硬X射线韧致辐射强度图预测的模型是在一个很好的协议与RHESSI观察。此外，质子和电子沉淀的位置似乎是接近的日震响应的来源，在这个耀斑检测。因此，所采用的方法可用于观测驱动的建模的个人太阳耀斑，包括高能粒子在日冕中的表现，以及内日光层。
2020-09-21 astro-ph.SR
Strong MHD Turbulence and Coherent Structures as Drivers of Cosmic Particle Acceleration
University of Ioannina（约阿尼纳大学）；Aristotle University（亚里士多德大学）
本文探讨强湍流与相干结构在宇宙粒子加速中的核心作用，强调其在能量转化和粒子加速中的关键地位，提出需整合多尺度等离子体动力学与可观测的高能粒子特征。
2026-04-18 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
The cool surge following flux emergence in a radiation-MHD experiment
冷而密集的喷射，通常是H $_α$浪涌，经常出现在EUV或X射线日冕喷流旁边，这是太阳内部磁化等离子体出现的结果。理想化的数值实验解释了这些喷射是间接与磁重联之间发生的新兴和预先存在的系统。然而，这些实验遗漏了可能对浪涌现象产生重要影响的基本要素。在本文中，我们研究了冷涌使用的辐射传输和材料等离子体特性的现实处理。为此，使用了彩虹代码，该代码具有等离子体状态方程、光球和色球辐射传输、热传导和光学薄辐射冷却的高级模块。我们进行了一个2.5维实验的磁化等离子体的出现通过（中）颗粒对流单体和低层大气的日冕。通过详细的拉格朗日跟踪，我们研究的形成和演变的冷喷射，特别是熵源的作用：这使我们能够辨别家庭的等离子体元素的演化模式。在发射阶段，许多元素的加速度远远超过重力;当接近其各自轨迹的顶点时，等离子体元素遵循准抛物线轨迹，加速度接近g $_{\odot^{}}$。我们展示了如何形成的冷喷射介导的楔形结构组成的两个冲击，其中之一，导致脱离浪涌从原来出现的等离子体圆顶。
2016-01-15 astro-ph.SR
Stochastic Particle Acceleration by Helical Turbulence in Solar Flares
只有当磁场偏离一个位场时，日冕中的磁能才有可能发生耀斑释放。我们发现，在非势磁场上激发的线性MHD模具有非零的动力学螺旋度。因此，这必然会导致湍流的明显动力螺旋度，该湍流由初级能量释放在耀斑地点产生的具有各种尺度和随机相位的线性模式组成，这对于许多应用来说可能很重要。特别是，一个非零的湍流螺旋度有一个潜在的强烈影响的粒子加速，因为湍流的螺旋分量诱导的平均规则的大尺度（DC）电场能够直接加速带电粒子，除了通常认为的随机湍流电场。本文推导了在大尺度扭曲磁场上激发的线性MHD模的动力学螺旋度密度，估算了相应的湍流螺旋度，并考虑了湍流螺旋度对粒子随机加速的影响，特别地，我们将诱导的平均电场与电子和估算的有效离子Dreicer场进行了比较。我们已经发现，这一迄今为止缺失但非常重要的耀斑现场湍流成分可以负责耀斑中的热能与非热能的分配，通过控制粒子从热池中提取的过程和种子粒子群的形成，然后随机加速到更高的能量。此外，它也与令人困惑的耀斑现象相一致，如电子和质子发射点的空间分离、电子束的形成以及$^3He$和其他稀有离子对加速粒子群的富集。
2012-11-29 astro-ph.SR
Transient induced MHD oscillations : A tool to probe the solar active regions
太阳大气中普遍存在的太阳瞬变和爆发现象，可以为理解日冕加热和太阳风加速等突出问题提供新的思路。在整个电磁波谱中对具有高度动态磁场配置和高能粒子的大尺度和小尺度瞬态/喷发事件的这种动态过程进行观测，提供了关于嵌入在复杂磁场中的兆开尔文温度下的等离子体过程以及发生在这种事件中的能量积累/能量释放过程的关键信息。太阳爆发过程中产生的磁流体动力学（MHD）波是太阳爆发现象的重要现象之一，它携带着探测太阳活动区的潜在信号。在本文中，我们简要回顾了瞬态（例如，耀斑）在太阳大气中引起的准周期振荡，并讨论其在诊断太阳活动区方面的影响，为了解局部等离子体动力学和加热提供线索。
2011-10-04 astro-ph.SR
Nonlinear Processes in Coronal Heating and Slow Solar Wind Acceleration
本工作由两部分组成：第一部分致力于磁约束日冕的加热研究，第二部分致力于慢太阳风的加速研究。直接三维简化MHD模拟。他们在“帕克情景”的框架内，通过光球足点运动对日冕磁力线的纠缠，模拟了太阳大气中日冕环的加热。我们导出了物理量随圈长的标度，以及光球与日冕阿尔芬速度之比。湍流动力学的发展使得耗散率与雷诺数无关。物理空间中的动力学是由弱湍流描述的，弱湍流是当MHD系统嵌入强轴向磁场中时产生的。慢风起源于日冕流光带及其周围。SOHO航天器上的LASCO仪器已经观测到在头盔流光的尖端之外形成的等离子体密度增强。改进了已有的密度增强的形成和初始运动的理论模型。平均膨胀所遭受的一个包裹的等离子体向外传播，和反磁力由于整体磁场径向梯度现在包括在内。结果表明，磁化后的尾流结构是不稳定的，在流的中心形成一个向外加速的磁岛，磁岛内部出现密度增强现象。加速度和密度对比度的值可以与LASCO的观测结果很好地吻合，只要磁力线的球面发散开始超过离太阳的临界距离。该结果提供了对磁场的拓扑的约束。
2010-01-12 astro-ph.SR
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
Magnetic Island Merging: Two-dimensional MHD Simulation and Test-Particle Modeling
在一个理想化的系统中，四个电流通道相互作用在一个二维的周期性设置，我们遵循的详细演变的电流片（CS）之间的通道，作为一个大规模的合并的结果。一个中心X点塌陷，一个逐渐延伸的CS标志着连续的磁重联。使用网格自适应，非相对论性，电阻磁流体动力学（MHD）模拟，我们建立了缓慢，近稳定的Sweet-Parker重联过渡到一个混乱的，多等离子体破碎的状态，当Lundquist数超过约10的四次方，以及在以前的研究范围内的等离子体团不稳定性。在MHD研究中采用的极端分辨率显示了显着的磁岛子结构。通过相对论测试粒子模拟，我们探索了带电粒子如何在O点附近加速，无论是在嵌入式小岛内的较大的“怪物”岛或附近的怪物岛的中心。虽然平面MHD设置人为地在被忽略的第三方向上引起强加速度，但它也允许对导致O点附近的粒子的加速度和平面投影捕获的所有方面进行全面的分析研究。我们的分析方法使用的分解的颗粒速度在缓慢和快速变化的组件，类似于雷诺分解湍流研究。我们的分析描述验证了几个有代表性的测试粒子模拟。我们发现，经过一个初始的非相对论运动在整个怪物岛，粒子可以经历加速在O点附近超过0.7c，在该速度的加速是在其最高效率
2021-08-30 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.comp-ph
Test-particle acceleration in a hierarchical three-dimensional turbulence model
带电粒子的加速与日冕在很宽的尺度和能量范围内有关。高能粒子通常伴随着大的能量释放事件，如太阳爆发和耀斑，但加速可以发生在较小的尺度上，其特征是电流片附近的动力学活动。为了深入了解日冕带电粒子加速的复杂情况，我们使用三维磁流体动力学（MHD）模型的测试粒子的方法研究加速特性。这些都是从直接的解决方案的减少MHD方程，非常适合嵌入在一个强轴向磁场，相关的内日球层的等离子体。多箱，多尺度技术被用来解决质子的运动方程。这种方法使我们能够解决一个扩展的范围内的尺度存在于系统中，即从离子惯性尺度的一米的顺序高达宏观尺度的顺序$10\,$公里（$1/100$ th的外部规模的系统）。这种新技术是有用的，以确定的机制，在不同的尺度上，负责加速到高能量的一小部分的粒子在日冕等离子体。我们报告的结果，描述在不同阶段的加速在广泛的时间，长度和能量尺度。
2014-02-16 astro-ph.SR physics.space-ph
A computational model for exploring particle acceleration during reconnection in macro-scale systems
提出了一个新的计算模型，用于研究宏观系统中磁重联过程中高能电子的自洽产生。该方程是基于最近的发现，平行的电场是无效的驱动程序的高能粒子在重联，使动力学规模控制的发展，这样的领域可以订购的方程。由此产生的方程组成的磁流体动力学（MHD）的骨干与高能分量所表示的宏观粒子所描述的指导中心方程。最重要的是，高能分量反馈到MHD方程上，使得MHD流体和高能粒子的总能量守恒。方程正确地描述了消防水龙带不稳定性，其动力学在节流重联和控制高能粒子的光谱中起着关键作用。该模型的早期测试结果，包括阿尔芬波在压力各向异性系统中的传播和消防水龙带模式的增长，确定基本算法是稳定的，并产生可靠的物理结果，为进一步基准与粒子在细胞模型的重连做准备。
2018-12-21 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Magnetohydrodynamic-guiding-center-particle-in-cell Method for Multiscale Plasma Kinetic Simulations
本文提出MHD-gPIC方法，在Athena++中实现引导中心近似下的粒子处理，用于研究陀螺共振不重要系统中的粒子加速与输运，并初步探索非相对论磁重联中的粒子加速。
2025-10-16 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Global Numerical Modeling of Energetic Proton Acceleration in a Coronal Mass Ejection Traveling through the Solar Corona
太阳现象将质子和电子加速到高能（有时是GeV/核子）是空间天气的一个关键组成部分。这些太阳高能粒子（SEP）事件可能会损坏航天器和通信，并对人类造成辐射危害。对扩散加速和粒子传播的理想磁场进行了深入的粒子加速模拟，同时日冕物质抛射（CME）的MHD模拟质量得到了显著提高。然而，到目前为止，这两块拼图在很大程度上仍然是分离的。这样的结构可能不仅包含激波，还包含相当大的鞘层和其后面的堆积压缩区域，并且可能根据日冕的基本条件随经度和纬度而变化。在这项工作中，我们已经耦合的结果，从一个详细的全球三维MHD随时间变化的CME模拟的全球质子加速和运输模式，以研究SEP加速的时间依赖性影响之间的1.8和8太阳半径在2005年5月13日CME。我们发现，源人口被加速到至少100兆电子伏，分布增强到6个数量级。加速效率沿探测动态演化的日冕物质抛射的不同区域的磁力线变化很大，日冕物质抛射的动力学受大尺度日冕磁场结构的影响。我们观察到强烈的加速鞘区后面的冲击。
2014-06-09 astro-ph.SR physics.space-ph
Particle acceleration with anomalous pitch angle scattering in 3D separator reconnection
理解在太阳耀斑期间储存的磁能的释放如何有助于非热高能粒子的产生是太阳物理学中的一个重要的未决问题。磁重联在耀斑的能量释放和转换过程中起着重要的作用。研究粒子加速的一种常用方法是在重联的磁流体动力学（MHD）模拟中使用测试粒子。这些MHD模拟使用的异常电阻率比基于库仑碰撞的斯皮策电阻率大得多。导致电阻率提高的工艺也会影响测试颗粒。我们探索电阻率和粒子轨道之间的联系，建立在以前的研究使用二维MHD模拟的磁重联。本文将以前的研究扩展到三维磁重联位形，并研究其对试验粒子轨道的影响。我们进行了轨道计算，使用3D MHD模拟分离器重联。我们使用的相对论指导中心近似，包括随机俯仰角散射。详细研究了不同电阻率和俯仰角散射模型对粒子轨道轨迹、最终位置、能谱、最终俯仰角分布和轨道持续时间的影响。俯仰角散射加宽了轨道轨迹的准直光束，使轨道能够进入以前无法进入的场线;这导致最终位置扩散到以前无法进入的拓扑结构。散射轨道能量谱被发现主要是由异常电阻率的水平，与俯仰角散射模型只在孤立的情况下发挥作用。散射被发现在确定俯仰角和轨道持续时间分布中起着至关重要的作用。
2020-01-21 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
MHD flows at astropauses and in astrotails
星风-星际介质相互作用区的几何形状和物理性质是研究星风及其嵌入磁场和宇宙线调制的重要平台。我们的目标是在流体理论的框架下，提供一个合适的描述和分类的逆流配置和逆流界面。此外，我们计算的流量和大规模的电磁场的基础上，大规模的动力学及其作为粒子加速的可能背景的作用，例如，在异常的宇宙射线的形式，可以研究。我们发现，对于边界的定义，这是决定天体顶的形状，磁零点和停滞点的数量和位置是必不可少的。可以存在多个分离面，形成一个高度复杂的星际和恒星等离子体环境。此外，延伸的尾部结构的形成自然发生，并且它们的拉伸场和流线提供了通过场对准的电场加速粒子的环境和机制。
2015-01-21 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Kinetic modeling of particle acceleration in a solar null point reconnection region
本文主要研究日冕三维重联零点区的粒子加速机制。从2002年11月16日太阳和日光层天文台（SOHO）磁记录的位场外推开始，我们首先进行了磁流体动力学（MHD）模拟与SOHO观测到的水平运动的光球边界的计算框。在零点的扇形平面中建立电流后，将演化的MHD数据的一个子部分用作等离子体的动力学粒子-单元模型的初始和边界条件。我们发现亚相对论电子加速主要是由电流片中的系统电场驱动的。在模拟的耀斑前阶段，能量形式呈幂律分布的非热电子群，其幂律指数约为-1.78。这项工作提供了第一步，弥合数百毫米的顺序和动力学尺度的顺序厘米在日冕的宏观尺度之间的差距，并解释了如何实现这样的跨尺度耦合利用物理修改或（等效）修改的性质常数。这些模拟具有极高的分辨率-高达1350亿个粒子和35亿个大小为17.5公里的网格单元-为研究类似太阳环境中的粒子加速提供了新的机会。
2013-07-07 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Coupled MHD-Focused Transport Simulations for Modeling Solar Particle Events
我们描述了太阳粒子事件（SPE）威胁评估工具或STAT的初始版本。STAT依赖于日冕-日光层（CORHEL）和地球-月球-火星辐射环境模块（EMMREM）的元素，并允许用户使用耦合磁流体动力学（MHD）和聚焦传输解决方案研究日冕物质抛射（CME）驱动的SPE。目前，STAT的重点是模拟太阳高能粒子（SEP）的加速和运输的低日冕，在那里产生的最高能量SEP事件。我们说明STAT的能力与2000年7月14日的“巴士底日”事件的模型，包括创新的诊断，了解粒子通量的三维分布和它们之间的关系的基础CME驱动程序的结构。与NOAA GOES测量的初步比较。
2019-05-13 astro-ph.SR physics.space-ph
First order particle acceleration in magnetically-driven flows
我们证明了粒子有规律地加速，同时经历由磁张力驱动的流中的曲率漂移。这种流动的一些示例包括自发湍流重联和衰减磁流体动力学（MHD）湍流，其中磁场弛豫到较低能量配置并将其部分能量转移到动能运动。相反的过程，如发电机，实际上会导致粒子的曲率漂移的净冷却。由于这种加速机制非常普遍，它很可能是在磁主导环境中产生非热粒子分布的原因，如太阳色球层、脉冲星磁层、超大质量黑洞喷流、$γ$射线爆发等。
2015-12-12 astro-ph.HE astro-ph.SR
Particle acceleration in self-driven turbulent reconnection
本文通过高分辨率三维MHD模拟与试验粒子方法，首次证明自驱动湍流重联可使粒子在盒子尺度内能量提升约3个数量级，并形成斜率趋于-2.5的能谱。
2023-08-15 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Turbulence, Reconnection and Cosmic Rays in Galaxy Clusters
近年来，我们对磁湍流和磁重联的理解发生了重大变化，这反过来又使我们对宇宙射线扩散和加速有了更好的理解。目前的磁化湍流模型不再是特别的结构，而是经过数值检验的理论。在这篇简短的评论中，我们总结了会议上两次演讲中提出的主题，并简要介绍了这一广阔而迅速发展的领域。本文讨论了湍流如何降低星系团中无碰撞等离子体中粒子的有效平均自由程，并指出这使得MHD湍流描述适用于更宽的尺度范围。讨论了MHD湍流的性质及其与磁重联的关系。最后，我们综述了湍流如何通过二阶费米过程诱导粒子加速，以及湍流如何影响激波和重联区的一阶费米加速。
2011-08-10 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.SR
Effects of magnetic shear and thermodynamic asymmetry on spontaneous MHD magnetic reconnection
利用二维磁流体动力学模拟方法研究了在一般情况下（具有关于电流片和磁剪切的热力学不对称性）磁重联的自发演化.我们专注于时间演化的渐近状态，即，自相似膨胀阶段（Nitta et al. 2001）。1)一个长的快模式冲击产生在前面的较短的等离子体团在剪切无磁不对称的情况下，然而，剪切的磁分量削弱了冲击。这种快速冲击波可能是粒子加速场。2)较短的等离子体团侧等离子体浸润较长的等离子体团横跨电流片。然后，来自电流片两侧的等离子体在较长的等离子体团中共存于相同的磁场线上。这可导致有效的等离子体混合。3)热力学不对称性和磁剪切使重联率大幅度降低了许多数量级。
2022-06-14 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Primordial flares, flux tubes, MHD waves in the early universe and genesis of cosmic gamma ray bursts
本文指出，伽马射线暴的能量来源类似于触发太阳和恒星瞬态活动现象的能量来源，如耀斑、通量管中的等离子体加速流以及磁流体波的能量耗散和粒子加速。我们从现象学上详细研究了下列可能触发伽马射线暴的能量源：（i）宇宙原始耀斑，可能是星系间或星系团区域内类似太阳耀斑的现象，（ii）可能由原始磁通量的对流坍缩形成的原始磁通量管（iii）起源于银河系或星系团的大尺度磁场扰动产生的MHD波的非线性相互作用和耗散。我们详细研究了上述每一种现象，并考虑到这些过程是否是伽马射线暴的能量来源。考虑到观测结果和宇宙环境中普遍存在的物理条件的相似性，以下研究表明，最有可能产生伽马射线暴的一种有希望的能源可能是原始耀斑。
2009-09-11 astro-ph.CO astro-ph.SR
Acceleration of Solar Energetic Particles by the shock of Interplanetary Coronal Mass Ejection
行星际日冕物质抛射（ICME）激波是加速粒子的重要因素，对太阳高能粒子（SEP）事件有重要贡献。我们进行了磁流体动力学粒子在细胞（MHD-PIC）模拟ICME冲击，以了解加速机制。这些激波在阿尔夫维尼奇马赫数和磁场方向（平行\准垂直）上都不同。我们发现，扩散冲击加速（DSA）起着重要的作用，加速粒子在平行ICME冲击。相比之下，冲击漂移加速度（SDA）在准垂直冲击中起着关键作用。高马赫数的激波被认为能更有效地加速粒子。我们的模拟结果表明，背景湍流和局部粒子速度分布周围的冲击可以间接暗示的加速机制。我们的研究结果还指出了一些可能的\textit{in situ}观察，可以验证我们的理解的主题。
2021-10-05 astro-ph.SR physics.space-ph
Effects of Resistivity on Magnetized Core-Collapse Supernovae
我们研究了湍流电阻率在强磁化大质量恒星核坍缩中的作用，进行了二维电阻MHD模拟。研究了不同初始磁场强度和旋转的三种情况：1.强磁化旋转铁芯; 2.中等磁化旋转铁芯; 3.非常强磁化的非旋转磁芯。在每种情况下，理想MHD模型和连续MHD模型计算。作为计算的结果，每个模型都显示了由磁加速（以及旋转情况下的离心加速）帮助的物质爆发。我们发现，电阻率衰减的情况下1和2的爆炸，而它增强的情况下3的爆炸。我们还发现，在旋转的情况下，在反弹后阶段的磁场的放大的主要机制是向外平流的磁场和绕组的极向磁场-线的差分旋转，这是有点阻尼与电阻率的存在。虽然磁旋转不稳定性似乎发生在旋转模型中，但它在磁场放大中只起很小的作用。电阻率的另一个影响是对纵横比的影响。在旋转的情况下，一个大的喷射物质的纵横比，$> 2.5$，在一个理想的MHD模型中获得的电阻模型在一定程度上减少。这些结果表明，电阻率可能在强磁化超新星的动力学中起着重要的作用。
2013-01-23 astro-ph.HE astro-ph.SR
Numerical Modeling of Energetic Electron Acceleration, Transport, and Emission in Solar Flares: Connecting Loop-top and Footpoint Hard X-Ray Sources
太阳耀斑期间高能电子的加速和输运是太阳物理学的突出课题之一。最近的X射线和无线电成像和光谱观测提供了非热电子分布的诊断，并建议，在某些耀斑事件中，电子主要在环顶加速，并可能经历捕获和/或散射效应。通过结合聚焦粒子输运方程和磁流体动力学（MHD）模拟太阳耀斑，我们提出了一个宏观粒子模型，自然包括电子加速和输运。模拟结果表明，湍流俯仰角散射等物理过程对电子在环顶的加速和在耀斑环中的输运都有重要影响，并且它们的影响与能量密切相关.在环顶中具有增强的空间依赖性湍流散射可以使高效的电子加速到高能量和将丰富的电子传输到足点两者成为可能。我们进一步生成空间分辨的合成硬X射线（HXR）发射图像和光谱，揭示了环顶和足点HXR源。与观测结果类似，我们发现足点HXR源比环顶HXR源更亮更硬。我们认为，宏观粒子模型提供了新的见解，了解所观察到的环顶和脚点非热发射源之间的连接相结合的粒子模型与动态演变的MHD模拟的太阳耀斑。
2022-11-28 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Cannibals in PARADISE: The effect of merging interplanetary shocks on solar energetic particle events
本研究首次通过完全时变三维模拟，结合MHD模型与集成SEP模型，揭示了两个食人型CME及其激波合并过程中，多重加速机制会显著增强太阳高能粒子的强度与能级。
2024-05-17 astro-ph.SR physics.space-ph
Magnetic fields, non-thermal radiation and particle acceleration in colliding winds of WR-O stars
非热辐射已被发现在WR星多年来在长波长光谱范围内，一般归因于同步辐射。要解释这种辐射，需要两个关键因素，即磁场和相对论性粒子。在强冲击下，粒子可以通过费米过程加速到相对论速度。因此，强同步辐射通常归因于WR双星。磁场也可能在冲击时被放大，然而磁场几何形状、强度及其在WR双星系统中对粒子加速的作用的实际情况仍然不清楚。在这项工作中，我们讨论了最近的发展，在风-风碰撞区的MHD模拟的数值模拟，耦合粒子加速过程相关。
2015-10-21 astro-ph.HE astro-ph.SR
Proton Acceleration in Low-beta Magnetic Reconnection with Energetic Particle Feedback
本研究针对磁重联中高能粒子在磁流体尺度的反作用研究空白，提出MHD-SDE耦合方法，发现低β磁重联下高能粒子反馈会抑制压缩结构、形成更陡的幂律能谱，证实其在磁重联与粒子加速中的关键作用。
2024-11-04 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
Spectral Power-law Formation by Sequential Particle Acceleration in Multiple Flare Magnetic Islands
我们提出了一个第一性原理模型的俯仰角和能量分布函数的演变，粒子顺序加速多耀斑磁岛。从磁流体动力学（MHD）模拟的爆发耀斑/日冕物质抛射的数据提供了不断变化的粒子分布的环境条件。在自洽形成的耀斑电流片上，由零星的重联产生的磁岛收缩并加速粒子。粒子分布的演变使用我们以前的工作中得出的规则。在这项研究中，我们假设一个规定的部分粒子顺序地“跳”到另一个加速器，并接收额外的能量和各向异性的提升。这个顺序的过程中产生的粒子数谱，服从近似幂律在中等范围的能量，并提出了低，高能量的休息。我们分析这些光谱区域作为模型参数的函数。我们还提出了一个完整的分析方法，形成和解释这样的频谱，独立的顺序加速模型。该方法只需要几个受约束的物理参数，如加速器之间转移的粒子的百分比，每个加速器的能量增益，以及访问的加速器的数量。我们的研究旨在通过结合全球模拟和分析动力学理论，弥合磁流体和动力学制度之间的差距。该模型再现并解释了观测到的耀斑硬X射线光谱的关键特征以及加速粒子的基本性质。我们的分析模型为任务和望远镜提供了解释高能观测的工具，如RHESSI，FOXSI，NuSTAR，太阳轨道器，EOVSA和未来的高能任务。
2022-01-14 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Self-consistent stationary MHD shear flows in the solar atmosphere as electric field generators
日冕结构中的磁场和流动，例如耀斑中的渐变阶段，可以用二维和三维磁流体静力学（MHS）和稳态磁流体动力学（MHD）平衡来描述。在一个物理上简化但精确的数学模型中，我们研究了由剪切流产生的电流和相应的电场。从精确的解析计算的磁位场出发，自洽地求解了非线性MHD方程。通过施加一个磁剪切流，并假设一个非理想的MHD环境，我们计算了一个电场由法拉第定律。电磁场的正式解决方案使我们能够计算类似于无碰撞Speiser电阻率的有效电阻率的表达式。我们发现，电场可以是高度空间结构化的，或者换句话说，是空间结构化的。平行于磁场的电场分量是主导分量，并且在电阻率具有最大值的地方是高的。电场是一个势场，因此，粒子的最高能量增益可以直接从相应的电压导出。在我们的例子中，日冕后耀斑的情况下，我们得到的电子能量为几十千电子伏，这是在同一数量级的观测发现。这种能量是粒子加热和加速的来源。
2014-07-11 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
