Fast magnetic reconnection in the plasmoid-dominated regime
提出了一个通过随机等离子体团链的电阻性磁重联的概念模型。全球重连率被证明是独立的Lundquist数。等离子体团中的通量分布符合平方反比定律。有人认为，有一个有限的概率出现异常大的等离子体团，这可能会破坏链（并可能负责可观察到的大突发事件，在太阳耀斑和太阳耀斑崩溃）。给出了从磁流体力学过渡到无碰撞状态的判据。
2010-08-19 astro-ph.SR physics.plasm-ph
A violin sonata for reconnection
当在自然中研究或在3D模拟中建模时，磁重联的过程与标准的2D范例卡通有一个关键的不同：它伴随着电磁场和等离子体特性的许多波动。我们开发了一种新的诊断方法，地形起伏分析（TFA），以研究在重联网站周围的各个区域的波动频谱。我们发现，波动属于两个非常不同的制度。第一个制度是更好地了解，它的发展在重联流出，其特点是等离子体和电磁波动之间的强联系，导致通过异常粘度和电阻率的动量和能量交换。但是还有第二个新的区域：它在流入和分界面周围的区域中发展，包括重联扩散区域本身。在这种新的状态下，等离子体保持层流，但电磁场强烈波动。我们提出了一个比喻与平稳连续运动的小提琴产生的振动弦发出音乐的弓。
2019-04-03 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Particle Acceleration and Plasma Dynamics during Magnetic Reconnection in the Magnetically-dominated Regime
磁重联被认为是宇宙中许多爆炸现象的驱动力。重联过程中的能量释放和粒子加速被认为是产生高能辐射和宇宙射线的一种机制。我们进行了二维和三维的动力学模拟来研究相对论性磁重联和相关的粒子加速。模拟的重点是电子-正电子等离子体开始与磁主导的，无力的电流片（$σ\equiv B^2/(4πn_e m_e c^2) \gg 1$）。对于这个限制，我们证明了相对论重联是非常有效的粒子加速通过一阶费米过程完成的曲率漂移的粒子沿相对论流引起的电场。该机制导致硬幂律谱$f \propto (γ-1)^{-p}$的形成，并且对于足够大的$σ$和系统尺寸，该谱接近$p = 1$。最终，大部分可用的磁自由能被转换成非热粒子动能。一个分析模型来解释的关键结果，并预测形成幂律分布的一般条件。在这些制度的发展导致相对论流入和流出的速度和增强的重联率相对于非相对论制度。在三维模拟中，二次扭结和撕裂不稳定性之间的相互作用会导致强烈的磁湍流，但不会显着改变能量转换，重联率，或粒子加速。研究表明，相对论性重联点是强的非热粒子源，这可能对各种高能天体物理问题具有重要意义。
2015-04-09 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Transition of Magnetic Reconnection Regimes in Partially Ionized Plasmas
Boston University（波士顿大学）；Institute for Advanced Study, Princeton（普林斯顿高等研究院）；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）；University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）；Princeton University（普林斯顿大学）；University Corporation for Atmospheric Research（大气研究大学协会）
本研究通过三流体五时刻模型，系统探索了部分电离等离子体中磁重联模式的转变，揭示了强耦合到快速解耦重联的过渡机制及关键参数影响。
2026-08-06 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Fast and slow two-fluid magnetic reconnection
提出了一个描述由电子和离子组成的不可压缩等离子体中准稳态二维磁重联的双流体磁流体力学（MHD）模型。我们发现两个不同的制度缓慢和快速重联。这两种机制的存在可以为宇宙和实验室等离子体中经常观察到的磁能的初始缓慢积累和随后的快速释放提供一种可能的解释。
2010-05-20 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Applications of Fast Magnetic Reconnection Models to the Atmospheres of the Sun and Protoplanetary Disks
本研究针对部分电离等离子体的磁重联特性，考察太阳大气部分电离层与原行星盘两种环境中快速重联的碰撞机制，揭示电流片演化过程及能量转化规律，解释了太阳日冕粒子加速与原行星盘红外谱线辐射的成因。
2024-05-14 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.plasm-ph
Ohm's Law, the Reconnection Rate, and Energy Conversion in Collisionless Magnetic Reconnection
本综述聚焦无碰撞等离子体，基于第一性原理动力学模拟与星载观测，探讨了广义欧姆定律中非理想电场打破冻结通量条件引发磁重联的机制，重联率的确定方法，以及扩散区能量转换的诊断与建模。
2024-06-02 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR
3D Null Point Reconnection Regimes
理论和计算实验的最新进展表明，需要改进以前在三维零点（磁场消失的点）对磁重联的分类。我们建议在这里分为三种不同的类型，这取决于流动的性质附近的脊柱和风扇的零。脊是接近零（或从零后退）的孤立场线，而扇是从零后退（或接近零）的场线的表面。所谓的“扭转脊柱重连”发生在风扇附近的场线旋转时，电流沿着脊柱集中，使得附近的场线经历旋转滑动。在“扭转风扇重连”中，靠近脊柱的场线旋转并产生集中在风扇中的电流，其具有旋转通量失配和旋转滑动。在这两种状态下，脊和扇是垂直的，并且没有通量穿过脊或扇传递。第三种机制称为“脊扇重连”，是实践中最常见的，它结合了以前的脊扇模型的元素。在这种情况下，响应于一般的剪切运动，零点塌陷以形成聚焦在零点本身的当前片，在局部跨越脊和扇两者的片中。在这种状态下，脊和扇不再垂直，并且存在穿过它们两者的通量转移。
2009-10-16 astro-ph.SR physics.plasm-ph
The Acceleration of Charged Particles and Formation of Power-law Energy Spectra in Nonrelativistic Magnetic Reconnection
磁重联是空间和天体物理等离子体中粒子加速过程的主要驱动力。了解粒子如何被加速以及由此产生的粒子能谱是重联研究的中心议题之一。我们回顾了最近的进展，在解决这个问题的非相对论重联，是相关的空间和太阳等离子体和超越。我们专注于粒子加速机制，粒子输运由于三维重联物理，以及它们在形成幂律粒子能谱的作用。最后指出了大尺度重联层中粒子加速和输运研究面临的挑战以及未来需要解决的相关问题。
2021-04-21 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Fluid vs. kinetic magnetic reconnection with strong guide-fields
在自然界和实验中发现的快速磁重联对理论上的理解很重要。最近的研究表明，在强导场区，两流体磁重联保持快速，而不考虑快色散波的存在。这一结论与动力学模拟的最新结果一致，但与早期双流体研究中的发现相矛盾，后者认为快速色散波是快速重联所必需的。在本文中，我们给出了一个更详细的推导最近的一封信中提出的分析模型，并提出了额外的模拟结果来支持的结论，即在这个制度的磁重联率是独立的碰撞耗散和系统的大小。特别是，我们提出了一个详细的流体和动力学模拟之间的比较，发现很好的协议在重连率和当前层的总长度。最后，我们回顾了早期的双流体研究，得出了不同的结论，并提出了一种替代的解释，其中提出的数值结果。
2015-05-14 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Theory of magnetic reconnection in solar and astrophysical plasmas
磁重联是等离子体中的基本过程，其通过允许磁拓扑结构的改变来促进存储在磁场中的能量的释放。本文综述了对磁重联的认识现状。我们讨论了在复杂的三维磁场中形成电流片的理论结果，并描述了在二维和三维重联之间的根本区别。我们继续概述最近的发展，在动力学理论的重联建模，以及在MHD框架中，一些新的三维重联制度已被确定。我们讨论了支持这一理论的太阳系等离子体的观测和模拟的证据，并总结了一些突出的位置，这个新的重联理论是相关的天体物理等离子体。
2012-07-03 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.plasm-ph
Nonthermally Dominated Electron Acceleration during Magnetic Reconnection in a Low-beta Plasma
通过完全动力学模拟，我们研究了在类似于日冕和耀斑的条件下，非相对论质子-电子等离子体中磁重联过程中的电子加速。我们表明，重联导致非热占主导地位的电子加速与幂律能量分布在非相对论性低$β$制度，但不是在高$β$制度，其中$β$是等离子体的热压力和磁压力的比率。在低$β$区，加速电子包含大部分耗散的磁能。一个引导中心电流的描述是用来揭示在体非热超导过程中的电子漂移运动的作用。我们发现，主要的加速机制是一个\textit{Fermi}型加速完成的粒子曲率漂移运动沿电场诱导的重联外流。虽然不同等离子体$β$的加速机制相似，但低$β$重联驱动Alfvénic时间尺度上的快速加速，并从热分布中发展出幂律。低$β$等离子体中磁重联引起的非热主导加速可能对太阳耀斑和其他天体物理系统中的高效电子加速具有重要意义。
2015-09-25 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Three-dimensional plasmoid-mediated reconnection and turbulence in Hall magnetohydrodynamics
本文研究霍尔MHD中三维等离子体团介导重联，发现三维条件下单X线重联比二维更不易发生，且在特定Lundquist数和尺度比下可实现自生湍流重联，并分析了其能谱与各向异性特征。
2024-08-05 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
The Onset of 3D Magnetic Reconnection and Heating in the Solar Corona
磁重联是天体物理学中的一个重要过程，它被认为是由电流片的撕裂不稳定性引发的，电流片是磁场突然改变方向并产生电流的区域。最近的研究表明，这些结构中的磁剪切量是太阳大气中磁重联在流体空间尺度上比动力学尺度大得多的开关性质的关键参数。我们目前的三维电流片与太阳日冕的条件下的重联的模拟结果。使用高保真度的模拟，我们遵循的线性和非线性的三维撕裂不稳定性的演变，导致重新连接。我们发现，取决于参数空间，磁剪切可以发挥重要的作用，在发病的显着能量释放和加热通过非线性撕裂。在我们的研究中存在两种制度，取决于电流片是否比增长最快的平行模式的波长更长或更短（在相应的无限系统中），从而确定子谐波是否存在于实际系统中。在一个制度中，其中增长最快的平行模式具有次谐波，这些次谐波的非线性相互作用和3D等离子体团的聚结在非线性演化中占主导地位，磁剪切在释放的能量中仅起微弱的作用。在第二个政权，其中增长最快的平行模式没有分谐波，然后只有强烈剪切电流片，其中斜模式是强大到足以与占主导地位的平行模式竞争，显示任何显着的能量释放。我们希望这两个制度存在于太阳上，所以我们的研究结果有重要的后果，在不同的太阳物理应用的重联开始的问题。
2020-02-25 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Extended theory of the Taylor problem in the plasmoid-unstable regime
考虑薄重联电流片的等离子体团不稳定性，解决了强迫磁重联的一个基本问题。在这个问题中，重联是由一个小振幅的边界扰动撕裂稳定的平板等离子体平衡。结果表明，磁重联过程的演化依赖于外源扰动和微观等离子体参数。小的扰动导致缓慢的非线性卢瑟福演化，而较大的扰动可以导致一个稳定的斯威特帕克相或等离子体相。触发等离子体相所需的阈值扰动幅度的表达式推导，以及在等离子体为主的政权的重连率的解析表达式。粘阻磁流体动力学模拟补充分析计算。等离子体团的形成起着至关重要的作用，允许快速重联在磁流体动力学等离子体，和所提出的结果表明，它可能会发生，并具有深远的后果，即使等离子体撕裂稳定。
2015-04-15 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Collisionless Magnetic Reconnection in Space Plasmas
磁重联需要打破冻结条件，冻结条件将旋转的带电粒子与抑制扩散的磁场联系在一起。在近地空间，持续的重连被认为是激发亚暴、磁暴、产生场向电流及其后果、丰富极光现象的原因。它的理论认识现在即将完成。重接发生在薄电流片中。分析概念逐渐深入到微观尺度，即电子趋肤深度或惯性长度的尺度，认识到薄的电流层优先进行自发重连。当等离子体流入迫使厚电流层变薄时，厚电流层开始重新连接。近半个世纪以来，重联的物理机制一直是个谜。最近，航天器的原位观测结合二维和三维的复杂数值模拟澄清了这一迷雾，发现重联在重联点周围的电子惯性（也称为电子扩散）区域（X线）内产生了电流层的特定结构。重联的发生归因于电子惯性和阻力辅助下的电子压力张量的伪粘性贡献，产生了复杂结构的电子电流片、电场和沿电流层延伸的电子排气。本文综述了无碰撞重联的一般背景理论和数值模拟的最新进展。在篇幅有限的简短回顾中，不可能涵盖重新连接的整个领域。呈现必然是粗略的，由我们的品味，偏好和知识决定。只有少量的观察，以支持少数选定的数值模拟。
2014-01-23 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Onset of secondary instabilities and plasma heating during magnetic reconnection in strongly magnetized regions of the low solar atmosphere
在一个2.5维多流体等离子体中性反应模型中，数值研究了太阳低层大气（距太阳表面约$300-800$ ~km）弱电离等离子体中不同空间尺度和不同高度的磁重联.我们考虑了强磁化等离子体（$β\sim 6\% $）从无力的磁位形演化而来，并被扰动以初始化重联电流片的形成。在大尺度上，观察到产生的电流片进行二次“等离子体团”不稳定性。一系列不同尺度下的模拟结果显示了一个级联电流片形成过程，该过程终止于宽度约为2 m，长度为$\sim100$ ~m的电流片，对应于临界电流片纵横比为$\sim50$。我们还观察到，等离子体团的不稳定性是主要的物理机制加速磁重联在这个等离子体参数制度。在等离子体团不稳定性出现后，重联率急剧增加到$\sim$ 0.035，观察到与Lundquist数无关。这些特征与完全电离等离子体中的磁重联非常相似。在这个低$β$导场重联制度，重组和碰撞的影响被观察到有一个小的贡献重联率。模拟结果表明，在磁重联过程中，将稠密的弱电离光球等离子体加热到$2\times10^4$ ~K以上是困难的。然而，当重联磁场为$500$ ~G或更强时，低太阳色球层中的等离子体可以被加热到$3\times10^4$ ~K以上。
2018-10-25 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Magnetic reconnection and plasmoid formation driven by the two-dimensional resistive kink instability in a current hole configuration
我们调查的非线性演化的$m = 1$电阻内部扭结模式在一个二维（2D）配置包含一个中心区域的负电流密度，也被称为“电流孔”设置。有限元程序FINMHD用于求解一组简化的不可压缩磁流体动力学（MHD）方程与电流涡公式。首先，扭结不稳定性线性发展与电阻性内部扭结模式的一般理论一致，并随后导致电流片的形成。在相对较低的伦德奎斯特数$S$，磁重联过程进行的速度预测的斯威特帕克制度。相反，当$S$超过一个临界值，即$S_c \simeq 10^4$时，电流片会被稍低于阿尔文时间尺度的等离子体团的形成所破坏。在后一种情况下，一个随机重联制度表现出Petshek型功能丰富的等离子体团达到。还测量了$0.02$阶的相对快的归一化重连率值。最后，我们比较我们的结果与那些在类似的2D以前的研究中使用理想的MHD不稳定性启动的过程，并讨论其相关的等离子体链的形成和相关的快速重联制度的一般理论。
2020-10-02 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Petschek-type reconnection in the high-Lundquist-number regime during nonlinear evolution on the tilt instability
利用最近开发的自适应有限元磁流体动力学（MHD）程序研究了在高Lundquist数（$S$）区域中由等离子体链形成支持的快速磁重联过程。我们采用一个二维不可压缩模型与一组约化的粘阻MHD方程。选择倾斜不稳定性设置以提供三步机制，其中两个弯曲的电流片最初在Alfvénic时间尺度上形成，然后是$S \ge S_c$等离子体团链的超Alfvénic生长的第二阶段（Baty 2020）。第三阶段达到一个随后的随机依赖于时间的重联制度与快速的时间平均速率独立的$S$获得。我们揭示了多尺度电流结构在磁重联，合并事件的等离子体团产生怪物等离子体团与冲击边界的流出区域。在足够高的$S$值（通常为$S \sim 100 S_c$），一个动态的Petschek型重联是实现了从一个小的中心区域包含几个等离子体团发出的慢模式的冲击对。最后，我们简要地讨论了我们的结果的相关性，解释耀斑活动在太阳日冕和托卡马克的内部中断。
2020-05-08 astro-ph.HE astro-ph.SR hep-th
Plasma Dynamics and Nonthermal Particle Acceleration in 3D Nonrelativistic Magnetic Reconnection
该研究通过大尺度全动理学模拟探究弱、强引导场下三维磁重联的等离子体动力学与非热粒子加速，揭示了不同区域的主导动力学机制与粒子注入规律，验证了费米加速理论，对太阳物理和天体物理研究有广泛意义。
2024-04-12 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Magnetic Reconnection and Associated Particle Acceleration in High-energy Astrophysics
本文综述了高能天体物理中磁重联的研究进展，涵盖磁流体与无碰撞重联动力学及粒子加速机制，并探讨了关键物理过程与前沿问题。
2024-04-20 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Electron-only reconnection and inverse magnetic-energy transfer at sub-ion scales
本文提出并验证了强磁化等离子体中仅电子磁重联的解析模型，预测亚离子尺度重联率显著更高，并推导出新的磁能衰减与结构尺寸标度律，揭示亚离子尺度磁场可通过逐级并合实现逆磁能转移至系统尺度。
2025-03-10 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Scaling laws of resistive magnetohydrodynamic reconnection in the high-Lundquist-number, plasmoid-unstable regime
当系统的Lundquist数（$S$）超过某一临界值时，系统中的Sweet-Parker层对等离子体团不稳定性是不稳定的。在本文中，数值标度研究已经完成了一个岛屿合并系统由一个低水平的随机噪声驱动。在早期阶段，一个初级Sweet-Parker层形成之间的两个合并的岛屿。当Lundquist数大于临界值$S_{c}\simeq4\times10^{4}$时，初级Sweet-Parker层通过多级级联分裂成多个等离子体团和更薄的电流片.由于等离子体团的不稳定性，该系统实现了快速的非线性重联率，几乎是独立的$S$，只有微弱的依赖于噪声的水平。发现线性状态中的类质团的数量与$S^{3/8}$成比例，如早期渐近分析所预测的（Loureiro \emph{et al.}，Phys. Plasmas \textbf{14}，100703（2007））。在非线性状态下，等离子体团的数量遵循更陡的标度，并且与$S$成比例。发现电流片的厚度和长度与$S^{-1}$成正比，电流片的局部电流密度与$S^{-1}$成正比。启发式的参数，在支持这些缩放关系。
2010-03-30 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Onset of Fast Reconnection in Hall Magnetohydrodynamics Mediated by the Plasmoid Instability
超Alfvénic等离子体团不稳定性的快速重联的发病中的作用进行了研究，通过最大的霍尔磁流体动力学模拟到目前为止，与系统的大小高达$10^{4}$离子集肤深度（$d_{i}$）。它表明，等离子体团不稳定性可以促进发病的快速霍尔重联，在一个制度，否则发病将无法访问，因为Sweet-Parker宽度是显着高于$d_{i}$。然而，霍尔重联的拓扑结构不一定是一个稳定的X点。存在一个中间区域，其中单个X点拓扑本身表现出不稳定性，导致系统在单个X点几何形状和由等离子体团不稳定性产生的具有多个X点的扩展电流片之间交替。通过一系列的模拟与各种系统的大小相对于$d_{i}$，它表明，系统的大小影响的可达性的中间政权。系统规模越大，越容易实现中间状态。虽然我们的霍尔MHD模型缺乏许多重要的物理效应，包括在完全动力学模型，一个单一的X点几何形状是不可避免的事实，提出了有趣的可能性，霍尔MHD模拟可能有潜力实现重联的几何特征类似于在完全动力学模拟，即扩展的电流片和等离子体团形成。
2011-07-18 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Magnetic Reconnection Onset via Disruption of a Forming Current Sheet by the Tearing Instability
最近的认识，斯威特-帕克电流片是严重不稳定的二次撕裂（等离子体）不稳定性意味着这样的电流片不可能发生在真实的系统。这表明，为了理解磁重联的发生，需要考虑电流层形成时撕裂不稳定性的增长。这样的分析是在这里的背景下，非线性电阻MHD的一般的时间相关的平衡，代表一个逐渐形成的电流片。结果表明，两个发病制度，单岛和多岛，是可能的，取决于电流片形成的速率。一个简单的模型被用来计算这两个政权之间的过渡的标准，以及在那一刻的重联开始时间和电流片参数。对于典型的日冕参数，该模型产生的结果与观测一致。
2016-02-19 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Numerical comparison between a Gyrofluid and Gyrokinetic model investigating collisionless magnetic reconnection
第一次详细比较了无碰撞磁重联的回旋动力学和回旋流体模拟。分析了无碰撞撕裂模的线性和非线性演化。在线性政权，我们已经发现了一个很好的协议，在整个频谱的线性不稳定波数，无论是在漂移动力学限制和有限的离子温度之间的两种方法。非线性地，以小$Δ'$区为研究对象，以$Δ'$为标准撕裂稳定性参数，比较了相关的观测量，如岛宽的演化和饱和，以及饱和相的岛振荡频率，结果基本一致，只是在中等高的$Δ'$值下，饱和岛宽的值有很小的差异.因此，在这里研究的制度，陀螺流体的方法可以描述碰撞重联过程以及更完整的陀螺动力学模型。
2014-06-05 astro-ph.SR physics.comp-ph physics.plasm-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
The Effect of Thermal Pressure on Collisionless Magnetic Reconnection Rate
无碰撞磁重联率的模拟是等离子体物理基础研究中的一个突出挑战。虽然在低$β$方案中经常报告$\mathcal{O}(0.1)$顺序的看似普遍的比率，但尚不清楚重新连接率如何与较高的血浆$β$成比例。由于压力张量的复杂性，现有的重连率模型仅限于低等离子体- $β$制度，其中的热压力可以忽略不计。然而，当$β\gtrsim \mathcal{O}(1)$。使用第一性原理动力学模拟，我们表明，随着$β$变大，重联率和流出速度都下降。考虑到扩散区周围力平衡中自生压力各向异性和压力梯度的影响，导出了一个简单的分析框架，解释了不同$β$条件下模拟中关键量和重联率的变化趋势.标准化重连率的预测比例是$β$上限中的$\simeq \mathcal{O}(0.1/\sqrt{β_{i0}})$，其中$β_{i0}$是流入血浆的离子$β$。
2021-04-02 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.plasm-ph
Formation of plasmoid chains and fast magnetic reconnection during nonlinear evolution of the tilt instability
通过二维不可压缩磁流体动力学（MHD）数值模拟，研究了当Lundquist数$S$超过一个临界值（磁普朗特数，$P_m = 1$）时，等离子体团链形成所支持的快速碰撞磁重联机制.最近开发的特征Galerkin有限元代码，FINMHD，这是专门为此目的而设计的，在一个减少粘阻MHD框架，采用。与以前的研究相反，选择了不同的初始设置的两个排斥电流通道，以形成两个准奇异电流层上的Alfvénic时间尺度的倾斜不稳定性的结果。如果是$S < 5 \times 10^3$，则随后的稳态重连过程是通过经典Sweet-Parker模型预测的速率标度为$S^{-1/2}$获得的。否则，发生随机的时间依赖性重连状态，具有独立于$S$的快速时间平均速率，并且具有$0.014$的归一化值。后一种机制是由两条等离子体团链的形成触发的，这些等离子体团链破坏了电流片，并在静止阶段之后突然发生超阿尔夫文生长，这与Comisso等人提出的等离子体团不稳定性的一般理论一致[Phys. Plasmas 23，100702（2016）]。此外，非单调依赖的等离子体团增长率与$S$以下的渐近递减对数律在无限$S$ -极限被证实。我们还密切比较我们的结果，以评估机制的一般性，在发展过程中获得的合并不稳定设置。最后，我们简要地讨论了我们的结果的相关性，解释耀斑活动在太阳日冕和托卡马克的内部中断。
2020-02-11 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Fast Recursive Reconnection and the Hall effect: Hall-MHD Simulations
磁流体动力学（MHD）理论和模拟表明，重联是通过电流片中的快速“理想”撕裂不稳定性触发的，电流片的逆纵横比减小到$a/L\sim S^{-1/3}$，$S$是由电流片（厚度为$2a$）的半长$L$定义的伦德奎斯特数。理想撕裂，在2D片，触发层次崩溃通过拉伸X点和递归不稳定性。在每一步，当地的Lundquist数减少，直到随后的板厚度接近动力学尺度或Lundquist数变得足够小。在这里，我们进行了一系列的霍尔MHD模拟，以显示如何霍尔效应修改递归重联一旦离子惯性尺度接近。我们表明，作为离子的惯性长度成为的顺序的内部，奇异层厚度在递归崩溃的某个步骤，重联过渡从等离子体团占主导地位的制度，中间等离子体+霍尔制度，然后霍尔占主导地位的制度。霍尔效应也显著地改变了X点周围的结构、重联率、耗散特性和功率谱。
2019-07-19 astro-ph.SR
Formation of Plasmoid Chains in Magnetic Reconnection
本文对电阻性磁流体动力学中磁重联现象进行了详细的数值研究，研究对象是以前无法得到的非常大的伦德奎斯特数（$10^4\le S\le 10^8$）。大纵横比的斯威特-帕克电流片被证明是不稳定的超阿尔文快速形成的等离子体（磁岛）链。等离子体团数按$S^{3/8}$标度，线性阶段的不稳定性增长率按$S^{1/4}$标度，与Loureiro等人的理论一致[Phys. Plasmas { \bf 14}，100703（2007）]。在非线性状态下，等离子体团继续以比它们被喷射的速度更快的速度生长，并完全破坏重连层。这些结果表明，高伦德奎斯特数重联是固有的时间依赖性，因此要求大幅修订标准的斯威特帕克准静态图片$S>10^4$。
2009-03-03 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Two-fluid simulations of driven reconnection in the Mega-Ampere Spherical Tokamak
在等离子体启动的合并压缩方法中，在容器内极向场线圈周围形成两个具有平行环向电流的磁通绳，然后合并形成球形托卡马克等离子体。这种启动方法，用于兆安培球形托卡马克（MAST），研究了高伦德奎斯特数和低等离子体β磁重联实验。在本文中，二维流体模拟，以了解潜在的物理过程，并更好地解释实验数据。这些模拟研究的个人和合并的影响，紧纵横比几何和双流体物理合并。理想的自驱动磁通绳动力学耦合到扩散层物理，导致大范围的现象。对于电阻性MHD模拟，通量绳进入标准化电阻率eta <1 E-5的晃动状态。在霍尔-MHD三个制度被发现的定性行为的电流片，取决于电流片宽度的离子声半径的比率。这些是一个稳定的碰撞制度，一个开放的X点制度，和一个中间制度，是非常不稳定的撕裂型不稳定性。在环形轴对称几何中，合并后的最终态是具有嵌套通量面的MAST类球形托卡马克。它还表明，模拟的1D径向密度分布的演变非常类似于汤姆逊散射电子密度测量MAST。根据环形霍尔-MHD模拟的结果，提出了一个直观的解释测量的密度结构的起源。
2013-08-13 astro-ph.SR 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
Nonlinear wave propagation and reconnection at magnetic X-points in the Hall MHD regime
太阳大气的高度动态性和复杂性自然意味着在拓扑变化的磁场环境中存在波。在这里，波与拓扑特征（如零点）的相互作用是不可避免的，并且对能量学具有潜在的重要性。太阳日冕等离子体的低电阻率意味着在研究这种环境下的磁能释放时应考虑非MHD效应。本文研究了霍尔项在波的传播和耗散中的作用，它们与二维磁性X点的相互作用以及由此产生的重联的性质。采用拉格朗日重映射激波捕获程序（Lare 2d）研究了电阻霍尔磁流体动力学中离子趋肤深度在一定范围内的初始快磁声波环的演化。磁零点发现算法也被用来定位和跟踪系统中形成的多个零点的演变。根据离子趋肤深度与系统尺寸的比值，我们的模型表明，霍尔效应可以在波零相互作用中发挥关键作用。特别是，初始快波脉冲现在由哨声和离子回旋分量组成;哨声波的色散性质导致（i）与零的早期相互作用，（ii）创建多个额外的瞬态零，因此，增加了能量释放点的数量。在霍尔区，系统的相关时标（如重联的开始和振荡弛豫的周期）显着减少，重联率提高。
2012-05-16 astro-ph.SR
Phase Diagrams of Forced Magnetic Reconnection in Taylor's Model
外部驱动的磁重联如何演变的理解的最新进展是组织在参数空间图。这些图是使用四个关键的无量纲参数：伦德奎斯特数$S$，磁普朗特数$P_m$，边界扰动的振幅$\hat Ψ_0$，和扰动波数$\hat k$。这种新的表示突出了一个给定的系统，其中的磁重联过程预计将区分由一个特定的演变的参数区域。与以前提出的相图相反，这里介绍的图考虑到了重连过程的动态演变，并且能够预测$S$和$P_m$的相同值的缓慢或快速重连制度，这取决于表征外部驱动器的参数，迄今为止从未考虑过。这些特征对于理解不同物理系统中磁重联的发生和演化具有重要意义
2015-05-04 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Particle Injection Problem in Magnetic Reconnection and Turbulence
本文综述磁重联与湍流中非热粒子注入（预加速）机制的最新进展，强调注入决定非热粒子比例与能量分配，并展望注入模型研究与应用。
2025-06-24 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Simulation Models for Exploring Magnetic Reconnection
本文系统回顾了用于研究磁重联的多类模拟方法，涵盖 MHD、Hall MHD、混合模型、PIC、Vlasov 及 Rice 对流模型等，并说明其关键假设、数值技术与典型科学结果。
2024-06-09 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Reduced fluid-kinetic equations for low-frequency dynamics, magnetic reconnection and electron heating in low-beta plasmas
本文提出了一个低β等离子体中磁重联和低频动力学的极小模型。该模型结合了分析和计算的简单性与物理可实现性：它是一个严格的限制的陀螺动力学等离子体β的顺序的电子-离子的质量比。该模型包含碰撞，可用于碰撞和无碰撞重联制度。它包括回旋离子（不假设冷），并允许通过电阻率或电子惯性（无论哪个占主导地位）对磁场线进行拓扑重排。两个流体动力学耦合到电子动力学-电子不假定等温，并通过减少漂移动力学方程描述。因此，该模型允许的不可逆性和通过速度空间中的平行相混合的磁能转化为电子热。分析了各种形式的自由能之间的交换及其转化为电子热。它示出了如何所有相关的线性波和制度的撕裂不稳定性（无碰撞，半碰撞和完全电阻）恢复在我们的模型的各种限制。提出了一种有效的方法来模拟我们的方程数值，通过厄米表示的速度空间。结果表明，速度空间中的小尺度将形成，从而引起一个浅厄米空间谱，由此推断，对于稳态或足够慢的动力学，电子加热速率将保持有限的碰撞消失的限制。
2011-10-21 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Activation of MHD reconnection on ideal timescales
实验室、空间和天体物理等离子体中的磁重联常被用来解释爆炸性能量释放和粒子加速。然而，在宏观MHD制度中的经典模型中涉及的时间尺度太慢，无法与观测相匹配。在这里，我们重温撕裂不稳定性进行粘阻二维数值模拟薄电流片的演变，为各种初始配置和伦奎斯特数$S$的值，直到$10^7$。结果证实，当重连电流片达到$S^{1/3}$的临界纵横比时，不稳定性在理想（Alfvénic）宏观时间尺度上进行，这是解释观测所需的。此外，相同的缩放被认为也适用于本地，二次重连事件在撕裂不稳定的非线性阶段触发，从而加速级联过程越来越小的空间和时间尺度。该过程似乎是强大的，因为预测的缩放测量在无粘模拟和使用普朗特数$P=1$时，在粘性制度。
2016-10-12 astro-ph.SR physics.geo-ph physics.plasm-ph
Overview of open issues in the physics of large solar flares
各种各样的观测方法使我们能够看到日冕高温强磁化等离子体中的磁重联效应。本文综述了大太阳耀斑中大尺度重联的一些特征，但还没有详细研究。例如，对活动区磁场拓扑特性的分析清楚地表明，为了建立大的太阳耀斑和日冕物质抛射（CME）的现实模型，必须考虑到所谓的拓扑触发现象。然而，这不是一项简单的任务。本文还讨论了带有MHD间断的电流层中磁重联的一些新的解析模型。这些模型考虑到电流层破裂的异常等离子体电阻率的区域中的可能性。在重联的数值模拟的背景下，他们的解释被认为是一个问题。本文简要地评述了近年来所取得的一些新成果，并提出了太阳耀斑物理有待研究的新问题。
2011-02-22 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Particle Acceleration during Magnetic Reconnection in a Low-beta Pair Plasma
低β磁主导区等离子体通过磁重联的重联（$β= 8 πnkT_0/B^2 \ll 1$）和/或高磁化（$σ= B^2/(4 πnmc^2) \gg 1$）在太阳耀斑、脉冲星风星云、相对论性黑洞喷流等一系列天体物理系统中具有重要意义。本文综述了这一过程动力学模拟的最新进展，并进一步讨论了由电子-正电子对组成的低$β$重联层中的等离子体动力学和粒子加速。我们还研究了不同的初始热温度对粒子能谱的影响。虽然早期的论文已经得出结论，较高的$σ$的光谱指数较小，我们的模拟表明，光谱指数接近$p=1$足够低的血浆$β$，即使$σ\sim 1$。由于在理想极限下的预测光谱指数比大多数观测结果都要困难，因此考虑可能导致更软光谱的影响（如开边界模拟）是很重要的。我们还注意到，3D重联物理和湍流的重联的影响需要在未来解决。
2016-04-11 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-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
Magnetic reconnection in the era of exascale computing and multiscale experiments
天体物理等离子体具有保持磁拓扑结构的能力，这不可避免地会在包括电流片在内的应力区域内引起磁能的积累。这种储存的能量通常通过磁重联的过程爆炸性地释放，这产生了磁场的重新配置，以及高速流动，热加热和非热粒子加速。无论是碰撞或动力学耗散机制，需要克服拓扑约束，这两个已经预测的理论和验证与现场航天器观测或实验室实验。然而，在理解大型系统中的磁重联方面仍然存在重大挑战，例如日冕，那里的碰撞性很弱，动力学尺度与宏观尺度相比非常小。等离子体团的不稳定性或形成多个等离子体团在长的重连电流片是一个可能的多尺度解决方案，桥接这一巨大的规模范围，新的实验室实验准备研究这些制度。结合这些努力，我们预计，未来的艾级计算时代，加上下一代的观测能力，将使一系列具有挑战性的问题，包括能量积累和重连的开始，部分电离制度，磁湍流的影响，粒子加速的新进展。
2022-02-18 astro-ph.HE astro-ph.IM astro-ph.SR
Fast magnetic reconnection: The "ideal" tearing instability in classic, Hall, and relativistic plasmas
磁重联被认为是天体物理学中许多爆炸现象的驱动力，从太阳到磁星和蟹状星云中的伽马射线耀斑。然而，经典MHD模型的重连率太慢，无法解释这样的观测结果。最近，人们意识到，当电流片变得足够薄时，撕裂不稳定性的重联率变得“理想”，在这个意义上，电流片在“宏观”阿尔夫文尼克时间尺度上不稳定，而不管等离子体的伦德奎斯特数。在这里，我们提出了2D可压缩MHD模拟在经典，霍尔和相对论制度。特别是，二次撕裂不稳定性的发病率内Hall-MHD的第一次调查。在相对论MHD的框架下，我们总结了Del Zanna等人[1]的主要结果：相对论撕裂不稳定性是非常快的，重联率是光穿越时间的倒数，这是解释高能爆炸现象所需要的。
2018-01-29 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
3D magnetic reconnection and its application to solar flares
太阳耀斑是发生在太阳大气中的强烈辐射。它们由磁重联提供动力，磁重联是一种可以将磁能转化为热能和动能等其他形式能量的现象，据信它在宇宙中无处不在。随着太阳观测的空间和时间分辨率的不断提高，以及受益于计算机能力不断提高的数值模拟，我们现在可以探讨三维磁重联的性质和特征，以更好地了解其在我们的恒星大气层爆发耀斑期间的后果。我们在下面回顾了在不同战线上为解决磁重联问题所作的努力。特别是，我们将看到理解3D中的磁拓扑如何帮助定位最可能发生重联的区域，电流层如何在3D中演变，以及重联如何导致通量绳，等离子体团和耀斑环的形成。
2016-12-20 astro-ph.SR
Magnetohydrodynamic Turbulence in the Plasmoid-Mediated Regime
磁流体动力学湍流和磁重联在天体物理环境中普遍存在。在大多数情况下，这些过程不是孤立发生的，而是相互作用的。这使得这些过程的综合理论极具挑战性。在这里，我们提出了一个理论的磁流体动力学湍流驱动在大尺度上，自洽帐户的相互作用与磁重联发生在较小的尺度。磁重联产生等离子体团，这些等离子体团从磁场产生的噪音中生长出来，最终破坏了它们诞生的片状结构。这些结构的破坏导致湍流能量级联的修改，这反过来又通过湍流产生的噪声对等离子体团形成施加反馈效应。在这种等离子体团介导的范围内的能谱相对于标准惯性范围变陡，并且不遵循简单的幂律。由于湍流和重联之间的复杂的相互作用，我们还发现，长度尺度，标志着开始的等离子体团介导的范围和耗散长度尺度不服从真正的幂律。过渡磁雷诺数以上的等离子体团的形成变得统计上显着足以影响湍流级联是相当温和的，这意味着等离子体团预计将修改许多天体物理系统中的湍流路径耗散。
2018-03-26 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.flu-dyn
Nonlinear Instability and Intermittent Nature of Magnetic Reconnection in Solar Chromosphere
Singh等人（2012年）最近的观测表明，太阳色球层中存在多次等离子体喷射和间歇性的磁重联，这突出表明需要在高度碰撞的等离子体中发生快速重联。然而，在部分电离的等离子体（如太阳色球层）中发生快速磁重联的物理过程仍然知之甚少。已经表明，对于足够高的磁雷诺数，Sweet-Parker电流片可以变得不稳定，导致撕裂模不稳定和等离子体团形成，但当处理部分电离的等离子体时，离子和中性粒子之间的耦合强度在确定系统的动力学中起着根本性的作用。我们建议，作为重新连接的电流片变薄和撕裂不稳定的发展，等离子体形成通过强，中间，弱耦合（或去耦）制度，撕裂模式不稳定性的时间尺度取决于离子和中性粒子之间的摩擦耦合。我们目前的计算分形撕裂在所有三个制度的相关时间尺度。我们发现，由于撕裂模的不稳定性和随后的非线性不稳定性，由于等离子体团为主的重联，Sweet-Parker电流片往往有一个分形结构，当色球磁场足够强的撕裂不稳定性可以达到动力学尺度，这被假设是必要的快速重联。
2016-02-05 astro-ph.SR
Spontaneous non-steady magnetic reconnection within the solar environment
本工作提出了一个2.5维的模拟研究的不稳定性的电流片位于一个介质中具有强烈的密度变化沿电流层。初始的无力配置被观察到经历了两个阶段的演变，包括一个突然的制度过渡从缓慢到快速的重连过程导致系统的最终混沌配置。然而，快速相的开始并不取决于等离子体局部电阻率的任何异常增强，而是Lapenta（2008）* 中发现的新机制的结果，并且只有当存在足够的分辨率时才被捕获。因此，考虑了整体电阻率、整体粘性和等离子体β对整体动力学的影响。这种机制允许从慢到快的重联过渡提供了一个简单而有效的模型，可以模拟太阳大气层内从高色球层到低日冕的几个过程。事实上，理解自发过渡到自馈快速重联状态及其宏观演化是产生所有这些需要快速（和高功率）触发事件的现象的现实模型的第一步和基本步骤（* Lapenta G. 2008年，物理学评论快报，100，235001）。
2009-06-29 astro-ph.SR
Formation of Hard Power-laws in the Energetic Particle Spectra Resulting from Relativistic Magnetic Reconnection
使用完全动力学模拟，我们证明了相对论等离子体中的磁重联是非常有效的加速粒子通过一阶费米过程导致的曲率漂移的方向上的电场诱导的相对论流动。这种机制导致硬幂律谱的形成在参数制度中的能量密度在重连场超过静止质量能量密度$σ\equiv B^2/(4 πn m_ec^2) > 1$，当系统的大小是足够大的。在极限$σ\gg 1$中，光谱指数接近$p=1$，并且大部分可用能量被转换成非热粒子。提出了一个简单的分析模型，解释了这些关键特征，并预测了硬幂律谱将产生从磁重联的一般条件。
2014-10-15 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Laboratory Study of Collisionless Magnetic Reconnection
本文综述近二十年无碰撞磁重联实验室实验及其与MMS空间观测的联系，总结扩散区结构、能量分配、动力学波和等离子体团多尺度重联等成果，并展望未来研究方向。
2023-07-14 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Magnetic reconnection and stochastic plasmoid chains in high-Lundquist-number plasmas
对大伦德奎斯特数（$S$）下的磁重联进行了数值研究，研究了等离子体团占主导地位的$S$到$10^7$的磁重联. Uzdensky的理论模型{ \it et al.} [Phys. Rev. Lett. { \bf 105}，235002（2010）]进行了确认和部分修订。对于$S\gg10^4$，归一化重连率为独立于$S$的$\normEeff\sim 0.02$。等离子体团通量（$Ψ$）和半宽（$w_x$）分布函数按$f(Ψ)\sim Ψ^{-2}$和$f(w_x)\sim w_x^{-2}$缩放。$Ψ$和$w_x$的联合分布表明，等离子体团填充三角形区域$w_x\gtrsimΨ/B_0$，其中$B_0$是重连场。有人认为，这种功能是由于等离子体团合并。宏观的“怪物”等离子体团与系统的大小$w_x\sim 10$ %显示出现在几个阿尔文时间，独立于$S$，这表明大的破坏性事件是一个不可避免的功能大- $S$重联。
2011-08-19 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Magnetic Reconnection in a Weakly Ionized Plasma
部分电离等离子体中的磁重联是一种普遍存在的现象，从实验室到星系际尺度，但它仍然知之甚少，研究相对较少。在这里，我们提出了一个自洽的多流体模拟的磁重联在弱电离反应等离子体的太阳色球层的参数制度的一个特别关注的结果。数值模型包括碰撞输运，相互作用和反应的物种，光学薄辐射损失。该模型通过考虑实际的色球输运系数，并通过求解考虑有限离子惯性和电子中性阻力的广义欧姆定律，改进了我们在Leake等人2012 \cite{Leake2012}中的先前工作。我们发现，在二维重联的哈里斯电流片的初始宽度大于中性离子碰撞耦合尺度，电流片变薄，直到它的宽度变得小于这个耦合尺度，和中性和离子流体解耦上游的重联网站。在这个过程中的解耦，我们观察到的重连速度比单流体的斯威特-帕克预测，重组和等离子体流出都发挥了作用，在确定重连率。当电流片进一步变薄和拉长时，它变得不稳定到次级撕裂不稳定性，并看到等离子体团。在这个模拟中观察到的重联率，外流和等离子体团提供的证据表明，磁重联在色球可能是负责喷流一样的瞬态现象，如针状和色球射流。
2013-02-14 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Flux Rope Formation Due to Shearing and Zipper Reconnection
拉链重联被认为是在爆发耀斑和日冕物质抛射之前产生通量管中大部分扭曲的机制。我们已经进行了第一次数值实验，在这种新的制度的重联，两个最初未扭曲的平行磁通管剪切和重联，形成一个大的磁通绳。我们描述了这个实验的性质，包括在模拟的基础上的集中通量源之间的磁通量的链接，新形成的磁绳的扭曲以及剪切预重联状态下的互磁螺旋度到新形成的磁绳的自螺旋度的转换。
2018-07-06 astro-ph.SR
Magnetic reconnection mediated by hyper-resistive plasmoid instability
用线性分析和非线性模拟方法研究了高阻等离子体团不稳定性引起的磁重联。发现线性增长率与$S_{H}^{1/6}$相对于超电阻Lundquist数$S_{H}\equiv L^{3}V_{A}/η_{H}$成比例，其中$L$是系统尺寸，$V_{A}$是阿尔文速度，$η_{H}$是超电阻率。在非线性区域，重联率变得几乎不依赖于$S_{H}$，等离子体团的数量与$S_{H}^{1/2}$成比例，次级电流片的长度和宽度都与$S_{H}^{-1/2}$成比例。这些缩放是一致的启发式参数假设二次电流片接近边际稳定。等离子体团的分布作为封闭的通量$ψ$的函数被发现服从$ψ^{-1}$幂律在一个扩展的范围内，随后由大的等离子体团的快速下降。这些结果进行了比较与电阻磁流体动力学研究。
2013-08-08 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
