Perpendicular Diffusion of Energetic Particles in Collisionless Plasmas
高能粒子与磁化等离子体之间的相互作用是等离子体和天体物理学中的一个基本问题。在目前的文件中，我们专注于粒子扩散的指导磁场。结果表明，垂直扩散系数仅取决于平行扩散系数和久保数。因此，可以找到四个渐近极限取决于这两个参数的值。这些制度是准线性极限，Kadomtsev和Pogutse极限，Rechester和Rosenbluth的标度，以及Zybin和Istomin发现的标度。在这篇文章中，我们将重点放在Rechester & Rosenbluth场景上，因为这在无碰撞等离子体的背景下以前没有被发现。并讨论了实例和应用。我们表明，能量独立的垂直和平行的扩散系数的比例，可以发现，这个比例可以是非常小的，但也接近统一。这正是人们在太阳风中观察到的。
2015-01-26 astro-ph.SR 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
Kinetic Turbulence in Collisionless High-Beta Plasmas
我们提出的结果从三维混合动力学模拟Alfvénic湍流在高β，无碰撞等离子体。这种湍流的关键特征是局部波-波之间的相互作用在级联中的波动和非局部波-粒子之间的相互作用与动力学微不稳定性驱动的各向异性的热压（即，消防水管，镜子，和离子回旋）之间的相互作用。我们提出的理论估计，并直接从模拟计算，有效的碰撞性和等离子体粘度的压力各向异性高β湍流，表明，对于强Alfvénic湍流，有效的平行粘性规模是可比的级联的驱动规模。在此尺度下，动能谱表明，由于各向异性粘性应力，Alfvénic叶栅的斜率比$-5/3$更陡。由于水龙带不稳定性产生的波动，磁能谱在离子拉莫尔标度附近比$-5/3$浅。大部分级联能量（80-90%）通过朗道阻尼和各向异性粘性加热的组合作为离子加热耗散。我们的研究结果对低光度吸积到超大质量黑洞的粒子加热模型，团内介质的有效粘度，以及近地太阳风观测的解释都有影响。
2023-03-02 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Heuristic Description of Perpendicular Diffusion of Energetic Particles in Astrophysical Plasmas
提出了一种求解高能粒子无碰撞垂直扩散问题的启发式方法。推导出相应扩散系数的解析形式。这里提出的启发式方法解释了在以前的理论中使用的参数$a^2$，以实现与模拟及其与无碰撞Rechester和Rosenbluth扩散的关系。所获得的结果是高度相关的应用，因为以前使用的公式在某些情况下显着改变。
2019-08-02 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Electron inertia effects in 3D hybrid-kinetic collisionless plasma turbulence
本研究使用无近似实现电子惯性的CHIEF代码进行3D混合动力学PIC模拟，发现电子惯性在限制电子尺度及以上的电流密度最大值并主导最强电流片电场方面起关键作用。
2023-09-12 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Electrostatic turbulence and Debye-scale structures in collisionless shocks
我们提出了一百多个大振幅双极静电结构的分析，在准垂直超临界地球的弓形激波穿越，测量的磁层多尺度航天器。双极结构的出现与激波过渡区的磁场梯度密切相关。双极结构具有负静电势和几个德拜长度的空间尺度。双极结构传播的速度（在等离子体静止帧）的顺序的离子声速的冲击法线高度倾斜。我们认为双极结构是由入射离子和反射离子之间的双流不稳定性产生的离子相空间空穴。这是第一次确认的离子双流不稳定性在无碰撞冲击。电子加速的影响进行了讨论。
2019-12-04 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Disruption of Alfvénic turbulence by magnetic reconnection in a collisionless plasma
我们计算的破坏尺度$λ_{\rm D}$在动态对齐Alfvénic湍流的片状结构被破坏的磁重联在低$β$碰撞等离子体的发病。$λ_{\rm D}$的缩放取决于所考虑的统计的顺序，在更大的尺度上更密集的结构被破坏。主导能谱的结构的破坏尺度是$λ_{\rm D}\sim L_\perp^{1/9}(d_eρ_s)^{4/9}$，其中$d_e$是电子惯性尺度，$ρ_s$是离子声音尺度，而$L_\perp$是湍流的外部尺度。当$β_e$和$ρ_s/L_\perp$足够小时，尺度$λ_{\rm D}$大于$ρ_s$，并且在$λ_{\rm D}$而不是在$ρ_s$处的能谱中存在中断。我们提出，由破坏产生的波动是循环的通量绳，这可能已经在太阳风中观察到。我们预测这些结构的振幅和半径之间的关系，并量化的重要性的中断过程中的级联的未中断的结构的填充分数和分数减少的能量包含在它们中的离子声标度$ρ_s$。这两种组分都强烈依赖于$β_e$，在较低的$β_e$下，破坏的结构变得更加重要。最后，我们预测，$λ_{\rm D}$和$ρ_s$之间的能谱是陡峭的比$k_\perp^{-3}$，当这个范围存在。这种陡峭的“过渡范围”有时会在太阳风湍流的短时间间隔内观察到。因此，无碰撞磁重联的发生可能会显著影响离子陀螺仪周围等离子体湍流的性质。
2017-10-12 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Modeling imbalanced collisionless Alfvén wave turbulence with nonlinear diffusion equations
利用傅立叶空间中的一对非线性扩散方程研究了从磁流体到电子尺度的强阿尔芬波湍流动力学。特别注意的是，在太阳风（SW）中，特别是在相对靠近太阳的区域中，通常观察到的反向传播波的能量之间的不平衡状态。在无碰撞制度的色散效应产生的规模相当于或大于那些耗散成为有效的，由一个给定的广义交叉螺旋度（GCH），这是一个不变的注入率产生的不平衡，是远远大于在相应的碰撞制度所描述的通常（或减少）磁流体力学。高不平衡和离子朗道阻尼的综合效应导致了亚离子尺度下横向磁场的陡峭能谱。该光谱与西南部高阿尔文区域（如后缘）的观测结果一致，但并不采取过渡范围的形式，该过渡范围在较小尺度上由较浅的光谱继续。这表明，所观察到的光谱显示这样的过渡的结果，从叠加的贡献来自不同程度的不平衡的各种流。此外，当在已经充分发展的湍流中以小尺度补充不平衡的能量注入时，例如在磁重联的作用下，观察到所有尺度的不平衡的显著增强。
2019-12-11 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
The Interplay Between Collisionless Magnetic Reconnection and Turbulence
本文从理论、数值和观测角度回顾了无碰撞等离子体中磁重联与湍流之间复杂的相互作用，重点介绍了 NASA 的 Magnetospheric Multiscale 任务在地球磁层关键区域提供的新见解。
2024-07-30 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Fully kinetic versus reduced-kinetic modelling of collisionless plasma turbulence
我们报告的结果之间的直接比较不同的动力学模型的无碰撞等离子体湍流在两个空间维度。考虑的模型包括第一原理全动力学（FK）的描述，两个广泛使用的简化模型[gyrokinetic（GK）和混合动力学（HK）与流体电子]，和一种新的简化gyrokinetic方法（KREHM）。考虑两种不同的离子β（$β_i$）制度：0.1和0.5。对于$β_i=0.5$，GK和FK模型之间的良好协议被发现在尺度范围从离子到电子回旋半径，从而提供了有力的证据动力学Alfvén级联的情况。在相同的范围内，HK模型产生较浅的光谱斜率，大概是由于缺乏电子朗道阻尼。对于$β_i=0.1$，对谱比的详细分析揭示了GK和FK在动力学尺度上的描述略有不同，尽管动力学阿尔文涨落可能仍然起着重要作用。这种差异可以追溯到离子回旋半径以上的尺度，FK和HK的结果似乎表明在两个等离子体β制度中存在快磁声和离子伯恩斯坦模式，但在低β情况下与GK有更显著的偏差。确定的实际限制和强度的简化动力学近似，在这里与全动力学模型的情况下，在个案的基础上进行比较，可能会提供有价值的洞察力在发挥作用的主要动力学效应在湍流碰撞等离子体，如太阳风。
2017-09-20 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Turbulence-Driven Corrugation of Collisionless Fast-Magnetosonic Shocks
University of Turku（图尔库大学）；University of California, San Diego（加州大学圣地亚哥分校）；Eureka Scientific, Inc.（尤里卡科学公司）；KU Leuven（荷语鲁汶大学）；University of Helsinki（赫尔辛基大学）；CNRS（法国国家科学研究中心）；University of California, Berkeley（加州大学伯克利分校）
本研究提出了一种线性磁流体动力学模型，探讨湍流如何驱动非碰撞快磁声激波表面凹凸，分析了激波几何、压缩和等离子体参数对凹凸特性的影响，并讨论了其在日冕和超新星残骸激波辐射中的意义。
2026-01-06 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR
Laboratory measurements of energy partitioning and anomalous electron heating in magnetized, perpendicular collisionless shocks
Princeton University（普林斯顿大学）；Lawrence Livermore National Laboratory（劳伦斯利弗莫尔国家实验室）；Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）；National Institutes of Natural Sciences（国立自然科学研究所）；Princeton Plasma Physics Laboratory（普林斯顿等离子体物理实验室）；NASA Goddard Space Flight Center（美国宇航局戈达德太空飞行中心）；University of Rochester（罗切斯特大学）；Kasetsart University（泰国农业大学）；University of Maryland, College Park（马里兰大学帕克分校）；University of California Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）
研究通过实验室实验观测超临界磁化非碰撞性激波的能量分配，发现下游电子和离子温度显著高于绝热和碰撞加热，揭示了非碰撞性异常电子加热现象。
2026-09-11 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Diagnosing collisionless energy transfer using field-particle correlations: Alfven-Ion Cyclotron Turbulence
我们应用场粒子相关性-一种跟踪电磁场和等离子体粒子之间能量密度传输率的时间平均速度-空间结构的技术-从Alfvén离子回旋加速器湍流的混合Vlasov-Maxwell模拟中获得的数据。在这个系统中的能量传递预计将包括朗道和回旋波粒子共振，不像以前的系统，其中的场粒子相关技术已被应用。在该模拟中，由平行电场$E_\parallel$介导的能量传递速率包括总速率的大约$60\%$，其余部分由垂直电场$E_\perp$介导。平行的电场共振耦合到质子，在整个模拟过程中，在许多点处识别出朗道阻尼的规范双极速度-空间特征。由$E_\perp$介导的能量转移优先与具有$v_{tp} \lesssim v_\perp \lesssim 3 v_{tp}$的粒子耦合，这与回旋加速器扩散平台的预期形成一致。我们的研究结果清楚地表明，场-粒子相关技术可以区分不同的通道的能量转移使用单点测量，即使在多个通道同时作用的点，并可以用来定量地确定每个通道中的粒子的速度。
2020-06-03 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Mediation of Collisionless Turbulent Dissipation Through Cyclotron Resonance
本研究基于太阳风观测发现离子回旋波是大尺度电磁涨落耗散的主要途径，并提出由交叉螺旋度控制的“螺旋度势垒”机制，解释无碰撞等离子体加热路径差异。
2023-06-08 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-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
Ion acceleration to MeV by the ExB wave mechanism in collisionless shocks
结果表明，在垂直于磁场的方向上，离子可以通过静电波的ExB机制加速到MeV能量范围。加速发生在离散的步骤的持续时间是一个小部分的gyroperiod，可以解释观测到的离子电子伏特到10千电子伏在准垂直冲击和100-1000千电子伏在准平行冲击。给出了任意形状冲击波中加速离子的最大能量的一般表达式。参与加速的波与三个交叉场电流驱动的不稳定性有关：由激波和小激波中的密度梯度引起的低混合漂移（LHD）不稳定性，其次是由强LHD波电场中电子的ExB漂移引起的修正双流（MTS）和电子回旋漂移（ECD）不稳定性。ExB波机制将重离子加速到与原子质量数成比例的能量，这与弓形激波上游的卫星观测以及超新星遗迹中的后激波观测是一致的。
2021-04-01 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Small-amplitude Compressible Magnetohydrodynamic Turbulence Modulated by Collisionless Damping in Earth's Magnetosheath: Observation Matches Theory
本研究利用Cluster卫星数据首次观测证实无碰撞阻尼调制地球磁鞘中小振幅可压缩MHD湍流，分解三种模式并揭示其对各向异性的影响，观测与理论相符。
2024-02-08 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
Condensate formation in collisionless plasma
高温等离子体中一般磁镜结构的粒子凝聚可能是由镜点附近热离子声背景噪声的离散共振引起的。共振打破了反弹对称性，暂时将粒子锁定在共振波长。相关长度为平行方向的德拜长度和垂直方向的离子回旋半径。
2021-07-02 astro-ph.SR cond-mat.supr-con physics.plasm-ph
Alfven Wave Turbulence and Perpendicular Ion Temperatures in Coronal Holes
当湍流振幅足够大时，低频阿尔芬波湍流导致离子轨迹变得混乱或“随机”。随机轨道使离子能够从湍流中吸收能量，即使当波动频率太小而无法发生回旋共振时，也会增加垂直离子温度。在本文中，一个解析表达式的随机加热率结合观测约束湍流模型得到的解析公式的垂直离子温度作为日心距离r，离子质量和离子电荷的函数在冕洞的r值之间的2和15太阳半径（Rs）。得到的温度分布提供了一个很好的适合质子和OVI离子在2Rs < r < 3Rs的紫外电晕光谱仪（UNOPS）的观察。随机加热也提供了一个自然的解释几个详细的特征的UVI观测，包括优先和各向异性加热的次要离子，快速径向增加的OVI温度之间的1.6 Rs和1.9 Rs，和突然平坦的OVI温度曲线r增加超过1.9 Rs。
2010-06-17 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
More than mass proportional heating of heavy ions by supercritical collisionless shocks in the solar corona
我们提出了一个新的模型来解释在极地日冕中重离子加热的观测结果。我们指出，在日冕中可以存在大量的小尺度间歇冲击波。电晕放电的机理实质上是电晕中超临界准垂直无碰撞激波的离子反射和运动电场${\bf E} = - (1/c) {\bf V} \times {\bf B}$的加速。由${\bf E}$引起的加速度垂直于磁场，与观测结果一致，并且与质子的质量成比例，因为重离子轨道主要位于准垂直激波脚的上游。观测到的极冕中O $^{5+}$离子和质子之间的温度比以及太阳风中$α$粒子和质子之间的温度比很容易恢复。
2009-06-17 astro-ph.SR
Cascades and Dissipative Anomalies in Nearly Collisionless Plasma Turbulence
我们发展了在碰撞率为零的极限下由Vlasov-Maxwell-Landau方程控制的动力学等离子体湍流的第一性原理理论。在Onsager开创的精确重整化群方法之后，我们证明了在1粒子相空间中存在一个“无碰撞范围”的尺度（长度和速度），其中理想的Vlasov-麦克斯韦方程组在“粗粒度意义上”得到满足。然而，由于非线性熵级联，在该范围内熵守恒可能被“耗散异常”所违反。我们推导出“4/5定律”型表达式的熵通量，这使我们能够表征其非零所需的奇点（结构函数标度指数）。在无碰撞极限下，质量、动量和能量守恒定律不受反常转移的影响。然而，在随后的限制小gyroradii，异常的贡献，惯性范围内的能量平衡可能会出现由于级联的散装能源和湍流的再分配的内能在相空间。在同样的限制下，从粒子动量平衡导出的“广义欧姆定律“简化为“理想欧姆定律“，但只是在粗粒度的意义上，不意味着磁通量冻结，并允许在所有惯性范围尺度下的磁重联。我们比较我们的结果与先前的理论的基础上的gyrokinetic（高陀螺频率）的限制，数值模拟，航天器测量的太阳风和地球磁层。
2018-09-28 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.plasm-ph
Quasi-linear theory of perpendicular ion heating by critically balanced turbulence
University of Otago（奥塔哥大学）
本文利用准线性理论，解析计算了离子与湍流大尺度阿尔芬涨落相互作用的加热率，揭示了湍流不平衡度如何使加热机制从随机加热平滑过渡到回旋共振加热，并得到了普适的加热率形式。
2026-06-12 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Time-dependent perpendicular transport of fast charged particles in a turbulent magnetic field
我们提出了一个解析推导的时间依赖性的带电粒子在静磁湍流的垂直输运系数，小于时间所需的带电粒子旅行的湍流相关长度。这个时间窗口在大多数运输模型中都没有被探索。在我们的分析中，所有的磁标度都被取为比粒子的回旋半径大得多，因此假定垂直输运由引导中心运动支配。对于平板和三维各向同性湍流，分别评估了颗粒从局部磁场线和磁场线随机行走的漂移。比较了短于和长于湍流相干长度的波长尺度的贡献。与平板情况相反，颗粒在三维各向同性湍流中意外地从局部磁场线扩散;这一结果质疑了颗粒磁化与湍流几何形状无关的常见假设。这个模型的扩展将允许研究太阳风各向异性。
2011-04-05 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.space-ph
Time-Dependent Perpendicular Transport of Energetic Particles for Different Turbulence Configurations and Parallel Transport Models
最近提出了高能粒子在平均磁场中输运的新理论。与其他非线性理论相比，新方法的优点是它提供了一个完整的时间依赖的描述的运输。此外，扩散近似不再是该理论的一部分。本文的目的是将这种新方法与时间相关的模型相结合，用于并行传输和不同的湍流配置，以探索参数制度，我们得到弹道输运，复合子扩散，和正常的马尔可夫扩散。
2017-08-30 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Quasilinear Evolution of Kinetic Alfven Wave Turbulence and Perpendicular Ion Heating in the Solar Wind
本文利用在湍流太阳风等离子体中测得的动力学阿尔芬波动谱计算了由准线性扩散引起的电子和离子分布函数。修正的离子分布函数被发现是不稳定的长波长电磁离子回旋波。这些波的俯仰角将平行离子的速度分散成垂直的速度，从而有效地提高了垂直离子的温度。
2011-04-08 astro-ph.SR physics.plasm-ph
The effects of strong temperature anisotropy on the kinetic structure of collisionless slow shocks and reconnection exhausts. Part I: PIC simulations
设计了一个二维Riemann问题来研究在重联排气边界处形成的慢激波的发展和动力学。对法向磁场与横向上游磁场的变化比率（即，相对于上游磁场的传播角）。当角度足够倾斜时，模拟显示下游区域存在较大的消防软管方向（P_平行>P_垂直）温度各向异性，并伴有从共面慢激波到非共面旋转模式的转变。在下游区域，消防水龙带稳定性参数ψ =1-mu_0（P_parallel-P_vertical）/ B^2趋于锁定在0.25。这种平衡是由逆流离子之间的竞争引起的，逆流离子驱动着湍流下降，而离子惯性尺度波的散射则被下游的旋转波驱动着不稳定。在非常倾斜的传播角，二维湍流也发展在下游区域。
2011-03-01 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Cross-field transport in Goldreich-Sridhar MHD turbulence
我推导出解析的时间依赖性的垂直传输系数的带电粒子在三维各向异性湍流的Goldreich-Sridhar通过实施多航天器约束的湍流功率谱。粒子的运动远离湍流的本地磁力线被评估为梯度/曲率漂移的引导中心，并与磁场线随机行走。在比湍流外尺度小得多的惯性尺度下，粒子在自由流运动中与场线解相关，没有扩散。在太阳风在$1$ AU，能量足够小（$< 1$千电子伏质子），垂直平均位移场线纠缠一般占主导地位超过二十年的湍流尺度。然而，对于多航天器测量范围内的较高能量（$\simeq 25$ MeV质子），由于梯度/曲率漂移而产生的传输引起的纵向扩散高达$\simeq 10^\circ- 20^\circ$。这一结果突出了垂直输运在解释行星际和星际数据中的作用。
2015-12-16 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Energy Dissipation and Entropy in Collisionless Plasma
众所周知，从粒子碰撞的角度来看，无碰撞系统是无耗散的，因此熵守恒。另一方面，诸如磁重联和湍流等过程似乎将大规模的磁能转化为热量。本文研究了无碰撞等离子体的加热和扩散。耗散过程中讨论的各向同性和gyrotropic形式的流体熵。演化方程的熵推导出，它们揭示了机制，导致流体熵的变化。这些方程是通过多重联电流片的无碰撞粒子模拟验证的。除了以前的研究结果有关的压力张量，我们强调热通量的耗散过程中的作用。
2019-11-19 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Effects of electron drift on the collisionless damping of kinetic Alfvén waves in the solar wind
各向异性Alfvénic湍流的无碰撞耗散是解决太阳风加热问题的一个有希望的候选者。广泛的研究考察了简单麦克斯韦或双麦克斯韦等离子体中阿尔文波的动力学性质。然而，在太阳风中观测到的电子速度分布函数更为复杂。在这项研究中，我们分析了动力学阿尔文波在等离子体中的两个漂移电子布居的性质。我们数值求解线性化的麦克斯韦-弗拉索夫方程组，发现阻尼率和动力学阿尔芬波的质子-电子能量分配显着修改等离子体中，相比没有电子漂移的等离子体。我们认为，电子漂移是一个重要的因素考虑时，考虑的阿尔夫文湍流的耗散在太阳风或其他$β\sim 1$天体物理等离子体。
2015-05-10 astro-ph.SR physics.space-ph
Perpendicular diffusion of energetic particles in noisy reduced magnetohydrodynamic turbulence
最近提出了一个模型的噪声减少磁流体动力学湍流。后一种模型已经被用来研究磁场线的随机游走。在本文中，我们使用相同的模型来研究高能粒子在平均磁场中的扩散。为了计算垂直扩散系数，使用两种分析理论，即非线性引导中心（NLGC）理论和统一非线性传输（UNLT）理论。结果表明，这两种理论提供了不同的结果的垂直扩散系数。我们还执行上述湍流模型的测试粒子模拟。我们表明，只有UNLT理论描述垂直运输准确确认后一种理论是一个强大的工具，扩散理论。
2014-09-08 astro-ph.SR
Role of magnetic reconnection in MHD turbulence
目前对MHD湍流的理解设想湍流涡旋在所有三个方向上都是各向异性的。在垂直于局部平均磁场的平面上，这意味着这种涡旋在小尺度上变成了电流片状结构。我们分析了磁重联在这些结构中的作用，并得出结论，重联成为重要的尺度$λ\sim L S_L^{-4/7}$，其中$S_L$是外尺度（$L$）伦德奎斯特数和$λ$是最小的场垂直涡尺寸。这个尺度大于由涡流的电阻性扩散所设定的尺度，因此意味着能量耗散的路线与由柯尔莫哥洛夫现象学所预测的路线从根本上不同。特别是，我们的分析预测存在的亚惯性，重联间隔的MHD湍流，傅立叶能量谱$E(k_\perp)\propto k_\perp^{-5/2}$，其中$k_\perp$是波数垂直于当地平均磁场。同样的计算也进行了高（垂直）磁普朗特数等离子体（$Pm$），其中的重联规模被发现是$λ/L\sim S_L^{-4/7}Pm^{-2/7}$。
2016-12-21 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
On the parallel spectrum in MHD Turbulence
磁流体湍流的各向异性已被广泛研究多年，最突出的是在太阳风和高分辨率模拟测量。观察到平行于局部磁场的光谱比垂直光谱更陡，通常为$k^{-2}$，与广泛接受的Goldreich-Sridhar（1995）模型一致。在这封信中，我深入研究了平行和垂直谱之间关系的本质，并认为这种$k^{-2}$标度与强流体动力学湍流中拉格朗日频谱的$ω^{-2}$标度具有相同的起源。这是因为阿尔文波沿着磁场线传播。现在已经很清楚，观察到的各向异性可以在不调用“临界平衡”参数的情况下进行论证，并且比以前认为的更可靠。平行谱（拉格朗日谱）和垂直谱（欧拉谱）之间的关系是阿尔芬波强湍流的必然结果，而不是基于测不准关系的猜想。我测试了这一点，使用高分辨率的模拟MHD湍流，特别是我验证了截止的平行频谱尺度作为柯尔莫哥洛夫时间尺度，而不是长度尺度。
2015-02-03 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Test particle energization of heavy ions in magnetohydrodynamic turbulence
在本工作中，我们研究了重离子通过使用测试粒子与磁流体力学（MHD）湍流的电磁场相互作用的碰撞和位移。这些场是从具有强背景磁场的可压缩三维MHD方程的伪谱直接数值解（DNSs）得到的。我们发现，粒子的垂直主要是作为离子变得更重（较低的电荷质量比）和高位移是有害的垂直垂直的垂直。另一方面，垂直位移不受荷质比的影响，我们解释了一个简单的引导中心模型。使用Voronoi镶嵌与此模型，我们分析了优先浓度，并发现粒子的行为作为示踪剂在垂直平面，聚集在区域与$\nabla_\perp\cdot\mathbf{u}_\perp < 0$。这些区域也有$(\nabla\times\mathbf{E})_z < 0$，这是最佳的垂直扫描，从而提供了一个机制，以了解先例的结果。
2022-04-08 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Phase-space entropy cascade and irreversibility of stochastic heating in nearly collisionless plasma turbulence
本文研究近无碰撞等离子体中随机电场导致的测试粒子加热，揭示 $C_2$ 在位置与速度空间的相空间熵级联、谱标度及其使随机加热不可逆的机制。
2024-06-14 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Parallel Collisionless Shocks in strongly Magnetized Electron-Ion Plasma. I. Temperature anisotropies
本研究利用PIC模拟探究强磁化等离子体中平行无碰撞电子-离子激波的特性，揭示了不同磁化强度下激波的压缩比、不稳定性、粒子加速及温度演化规律，明确其与标准MHD行为的偏差。
2025-09-02 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
Perpendicular Ion Heating by Reduced Magnetohydrodynamic Turbulence
最近的理论研究认为，低频阿尔文波湍流中的随机离子加热速率由$Q_\perp = c_1 [(δu)^3 /ρ] \exp(-c_2/ε)$给出，其中$δu$是离子回旋半径尺度下的均方根湍流速度$ρ$，$ε= δu/v_{\perp \rm i}$，$v_{\perp \rm i}$是垂直离子热速度，$c_1$和$c_2$是无量纲常数。我们通过数值模拟强约化磁流体动力学（RMHD）湍流相互作用的测试粒子来测试这一理论结果。在我们的模拟中的加热速率很好地符合这个公式。$c_1$的最佳拟合值为$\sim 1$。$c_2$的最佳拟合值降低（即，随机加热变得更有效）的网格大小和雷诺数的RMHD模拟增加。作为一个例子，在一个$1024^2 \times 256$ RMHD模拟与耗散波数的反离子回旋半径，我们发现$c_2 = 0.21$。我们发现，随机加热是显着强于在一个字段中的随机相位Alfvén波具有相同的功率谱的强RMHD湍流，因为强RMHD湍流的相干结构增加轨道随机性的区域中的离子被加热最强烈。我们发现，$c_1$增加了$\sim 3$的一个因素，而$c_2$的变化很小的离子热速度从值$\ll v_{\rm A}$增加到值$\sim v_{\rm A}$，其中$v_{\rm A}$是阿尔文速度。我们讨论了这些结果的重要性垂直离子加热太阳风。
2013-09-04 astro-ph.SR physics.space-ph
Quasi-isotropic cascade in MHD turbulence with mean field
本文提出了一个在大尺度强磁场作用下不可压缩磁流体力学湍流的唯象理论，它建立了强、弱磁流体力学湍流各向异性模型之间的联系。我们认为，在垂直于平均场的平面内，Iroshnikov-Kraichnan各向同性级联自然发展，而在垂直级联的触发下，可以发展出振幅较弱的平行级联。具有由准谐振条件产生的减小的通量。所得到的能谱$E(k_\parallel,k_\bot)$在所有方向上具有相同的斜率。惯性范围在平行和垂直方向上的范围之间的比率等于$b_{rms}/B_0$。这些性质与最近的三维MHD模拟中发现的各向同性强迫相匹配[R。格拉平和W.- C. Müller，Phys. Rev. E \textbf{82}，26406（2010）]。
2012-09-20 astro-ph.SR physics.plasm-ph
High-resolution hybrid simulations of kinetic plasma turbulence at proton scales
利用二维高分辨率的混合粒子模拟方法，研究了从磁流体动力学（MHD）到亚离子尺度的等离子体湍流特性。我们施加一个初始的环境磁场，垂直于模拟箱，我们添加了一个大规模的磁场和动力学波动的频谱，能量均分和消失的相关性。一旦湍流充分发展，我们观察到一个MHD惯性范围，其中的频谱的垂直磁场和垂直的质子体速度波动表现出幂律标度与频谱指数分别为-5/3和-3/2。这种行为在波矢中延续了整整十年，并且在时间上非常稳定。在质子尺度附近观察到一个过渡。在亚离子尺度下，两种光谱都变陡，前者仍然遵循幂律，光谱指数为~-3。在密度和平行磁场波动中观察到-2.8的斜率，突出了动力学尺度下压缩效应的存在。垂直电涨落的谱在MHD尺度下遵循质子体速度的谱，在小尺度下遵循质子体速度的谱。所有这些特征，我们仔细测试了许多参数的变化，是在很好的协议与太阳风的观测。湍流级联导致在平行和垂直方向上具有相似加热速率的总体质子湍流。虽然平行质子加热被发现是独立的电阻率，每个细胞的粒子数和分辨率，垂直质子温度强烈依赖于这些参数。
2015-06-19 astro-ph.SR physics.space-ph
Turbulent magneto-genesis in a collisionless plasma
本文研究了在湍流无碰撞等离子体中产生磁场的有效机制。通过使用完全动力学，在细胞中的粒子模拟的初始非磁化等离子体，我们检查磁化的起源，在一个非线性制度。复杂的运动是通过泰勒-格林涡，和等离子体局部发展强烈的电子温度各向异性，由于应变张量的湍流。随后，在多米诺骨牌效应中，各向异性触发了空间局部化的韦伯不稳定性。在这种活跃的波粒相互作用区域中，磁场种子由于与底层搅拌运动的相互作用而呈指数增长并扩散到更大的尺度。这种自馈过程可能解释了各种天体物理等离子体中的磁成因，无论在哪里都存在湍流。
2021-09-15 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.plasm-ph
Kinetic Alfvén turbulence below and above ion-cyclotron frequency
在考虑各向异性色散效应和湍流不稳定性的情况下，研究了垂直于和平行于背景磁场的Alfvénic湍流级联。垂直色散和不均匀性使湍流波数磁谱变陡，加速湍流级联产生高离子回旋频率。相反，平行色散使谱变得更平坦，并使离子-回旋频率以上的频率级联减速。上述因素的竞争导致谱指数分布在区间[-2，-3]，其中-2是高频空间填充湍流指数，-3是管状波动形成的低频间歇湍流指数。完全间歇性湍流的光谱填充了较窄的光谱指数范围[-7/3，-3]，这几乎与太阳风中测量的指数范围一致。这表明动力学尺度湍流谱主要由弥散和间歇性形成。测量折射率约为0.1的小失配可能与此处未研究的阻尼效应有关。
2015-09-28 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.space-ph
On the formation of density filaments in the turbulent interstellar medium
这项研究的动机是最近的观测无处不在的星际密度丝和磁流体动力学（MHD）湍流的现代理论的指导下。星际湍流塑造了观测到的密度结构。垂直湍流混合是MHD湍流的基本动力学过程，它必然导致扩散介质和分子云中出现平行细丝。最小宽度由部分电离介质中的垂直中性离子去耦尺度确定。相应地，密集的垂直细丝出现在高超音速湍流中的MC作为激波压缩的结果。它们的宽度具体取决于湍流特性。我们证明，不同的取向的灯丝相对于磁场起源于不同的湍流特性的多相星际介质。
2018-02-03 astro-ph.GA astro-ph.SR
Effective diffusivity of passive scalars in rotating turbulence
我们使用直接数值模拟来计算湍流旋转流中被动标量的湍流输运系数。在平行和垂直于旋转轴的方向上的有效扩散系数通过研究被动标量的施加的初始轮廓的扩散而获得，并且通过测量标量的平均浓度和平均空间通量作为时间的函数而计算。改变Rossby和Schmidt数以量化它们对有效扩散的影响。研究发现，旋转会降低垂直方向上的标量扩散率。垂直扩散可以使用垂直于旋转轴的特征速度和长度从混合长度参数估计。小施密特数，湍流运输减少和分子扩散变得更加显着的偏差。
2013-02-12 astro-ph.SR physics.ao-ph physics.flu-dyn
Measures of Three-Dimensional Anisotropy and Intermittency in Strong Alfvénic Turbulence
我们测量的局部各向异性的数值模拟强Alfvénic湍流相对于两个本地，物理相关的方向：沿本地平均磁场和沿本地方向的波动Elsasser场之一。我们发现显着的缩放各向异性相对于这两个方向：波动是“带状”-统计上，他们被拉长沿平均磁场和波动场。后一种形式的各向异性是由于尺度依赖的排列的波动场。$n$阶条件结构函数在垂直于局部平均场和涨落的方向上的间歇标度很好地符合Alberran et al. 2015的理论，而平行标度则与临界平衡猜想所暗示的一致。我们量化了垂直标度与涨落和平行方向标度之间的关系，发现垂直各向异性的标度指数（即，Alfvénic结构在垂直于平均磁场的平面中的纵横比）取决于波动的幅度。这被证明是等价的波动幅度和对齐在每个尺度的关系。各向异性对振幅的依赖性被证明是更显着的垂直和波动方向的尺度之间的各向异性比它是垂直和平行的尺度之间。
2015-12-04 astro-ph.SR
