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
Parker Solar Probe In-Situ Observations of Magnetic Reconnection Exhausts During Encounter 1
电流片中的磁重联将磁能转化为粒子能。这一过程可能对太阳附近的太阳风的加速和加热起着重要作用。帕克太阳探测器的观测为研究这个问题提供了一个新的机会,因为它在前所未有的近距离测量太阳的太阳风。在第一次轨道运行期间,PSP在35.7太阳半径处遇到了大量的通过近日点的太阳风电流片。我们对这些电流表进行了全面的调查,发现了21个重联排气的证据。这些排气在日光层电流片、日冕物质抛射和规则的太阳风中被观测到。然而,我们发现,在近日点附近遇到的大多数电流片,那里的磁场最强,等离子体β最低,是与爆发性径向喷流相关的Alfvénic结构,这些电流片似乎没有发生局部重联。我们研究了电流片周围的条件,以解决为什么一些电流片重新连接,而另一些没有。一个关键的区别似乎是跨电流片的等离子体速度剪切的程度:21次重联排气的中位速度剪切是阿尔夫文速度剪切的24%,而检查的43个阿尔夫文电流片的中位剪切是阿尔夫文速度剪切的71%。这一发现可能表明,大的,尽管是亚阿尔夫文的,速度剪切抑制重联。另一种解释是,阿尔夫维尼克电流片是孤立的旋转间断,不会发生局部重联。
2020-01-16 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Magnetic flux ropes within reconnection exhausts close to the centers of heliospheric current sheets near the Sun
Chungbuk National University(忠北国立大学);University of California, Berkeley(加州大学伯克利分校);Los Alamos National Laboratory(洛斯阿拉莫斯国家实验室)
研究通过 Parker 太阳探测器观测日冕电流片附近磁通绳的再连接过程,揭示其形成机制及观测优势。
2025-09-21 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-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
Electron cyclotron maser instability (ECMI) in strong magnetic guide field reconnection
在强电流取向的磁引导场中的重联允许激发电子回旋脉塞的不稳定性并从{ \sf X}点的电子排气中发射电磁辐射。引导场中的电子保持磁化,重联几乎不受影响。引导场负责{ \sf X}点和排气的非对称特性。电子布居的不对称性导致有利于ECMI的条件。引导场回旋加速器下的基本任务类似于其他地方讨论的电子空穴发射。它可以在适当的排气坐标系中进行处理,并映射出与排气一起沿引导场运动时的局部磁场。可以想象这种机制的许多应用。我们提出了一个大纲的机制,并讨论了它的一些优点和前景。潜在的应用包括极光物理学中的AKR、耀斑期间的各种太阳射电发射、行星发射和涉及强场和场向电流存在的几种天体物理学情景。辐射从{ \sf X}逃逸是没有问题的。然而,从远程观测需要穿越X模式的阻带,并意味着源位移到较弱的领域。
2017-07-27 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Fast Magnetic Reconnection induced by Resistivity Gradients in 2D Magnetohydrodynamics
利用二维磁流体动力学(MHD)模拟,我们发现在重联流出方向上利用简单的电阻率梯度可以诱导Petschek型磁重联,揭示了碰撞极限下稳定快速重联的关键因素.我们发现,扩散区自我调整其半长,以适应给定的电阻率梯度规模。感应重连x线和流动停滞点始终位于靠近较高电阻率端的电阻率转变区域内。通过该电阻率梯度打开一个排气装置将导致位于x线另一侧的另一排气装置在均匀电阻率区域内打开。潜在的应用,这种设置重新连接为基础的推进器和太阳针状体进行了讨论。在一组单独的数值实验中,我们探索了最大的合理重连率使用一个大的和空间局部的电阻率的权利,在x线。有趣的是,在x线处产生的电流密度显著下降,使得归一化重连率保持由值$\simeq 0.2$限制,与理论预测一致。
2021-12-21 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Transition from ion-coupled to electron-only reconnection: Basic physics and implications for plasma turbulence
使用动力学粒子模拟,我们模拟了磁鞘和太阳风的重联条件,即,等离子体β(气压与磁压之比)大于1和低磁剪切(强引导场)。改变模拟畴的大小,我们发现离子的响应变化很大。对于尺度与离子拉莫尔半径相当的重连区域,离子不响应重连动力学,导致具有非常大的准稳态重连率的“仅电子”重连。随着重联畴尺寸的增加,向更传统的“离子耦合”重联的过渡是逐渐的,当磁岛在法线方向上的宽度达到许多离子惯性长度时,离子在排气中被冻结。在此过渡期间,准稳态重联率下降,直到离子完全耦合,最终达到一个渐近值。在这个电子只有离子耦合过渡的排气宽度的离子流出速度的缩放被发现是一致的一个新的重新连接的场线的理论模型。为了具有与重连阿尔文速度相当的离子流的完全冻结的离子排气,需要至少几个离子惯性长度的排气宽度。在湍流系统与磁泡之间发生的重联与波动,使用几何参数,我们估计,完全离子耦合重联需要至少几十个离子惯性长度的磁泡长度尺度。
2019-01-28 physics.plasm-ph physics.space-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
First-Principles Theory of the Rate of Magnetic Reconnection in Magnetospheric and Solar Plasmas
磁重联的速率在许多过程中是极其重要的,因为它控制着,例如,太阳耀斑中能量释放的速率、地球磁层中邓吉对流循环的速度以及有害地磁亚暴中能量释放的速率。从数值模拟和卫星观测中得知,该速率在归一化单位中约为0.1,但尽管多年的努力,尚未获得完整的理论预测。在这里,我们提出了一个第一性原理理论的重联率在非相对论性的电子-离子碰撞等离子体,并表明,同样的预测解释了为什么斯威特帕克重联是相当慢。该分析的关键考虑因素是重连部位的压力(即,x线)。我们表明,霍尔电磁场在反平行重联造成的能量空隙,相当于压力耗尽,在x线,所以重联排气打开,使快速率为0.1。如果能量可以到达x线以补充压力,则排气口不会打开。除了日光层应用,这些结果预计将影响行星磁层,磁约束聚变装置和天体物理等离子体中的重联研究。
2022-03-27 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR
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
The Reduction of Magnetic Reconnection Outflow Jets to Sub-Alfvénic Speeds
在模拟和观测中,无碰撞磁重联产生的喷流的流出速度被离子排气温度降低。我们推导出一个基于上游阿尔文速度和平行离子排气温度的流出速度的标度关系,并在动力学模拟和观测中进行了验证。流出速度的降低被证明是由于消防水龙带不稳定性准则,因此,对于足够大的引导场,这种影响被抑制,并且流出速度达到基于磁场的重连分量的上游阿尔文速度。
2018-04-25 physics.plasm-ph
Direct Observations of Magnetic Reconnection in the Solar Wind Current Sheets near Mars
Boston University(波士顿大学);Institute for Advanced Study, Princeton(普林斯顿高等研究院);University of Iowa(爱荷华大学);Space Sciences Laboratory, University of California, Berkeley(加州大学伯克利分校空间科学实验室);University of Toulouse(图卢兹大学);Kyoto University(京都大学);Laboratory for Atmospheric and Space Physics, University of Colorado, Boulder(科罗拉多大学博尔德分校大气与空间物理实验室)
利用MAVEN数据首次直接观测到火星附近太阳风流片中的磁重联,发现Petschek型重联排气区,表明重联可显著拓宽流片。
2026-06-16 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.plasm-ph
The Enhancement of Ion Heating in Kinetic, Anti-Parallel Reconnection in the Presence of a Flow Shear
本研究通过2.5D Particle-In-Cell模拟发现,流剪切通过将剪切能转化为热能,使反平行磁重联中的离子加热增加高达300%,并降低外流速度,为Parker Solar Probe观测到的重联抑制现象提供了理论解释。
2025-08-13 physics.plasm-ph
Magnetic reconnection-driven energization of protons up to 400 keV at the near-Sun heliospheric current sheet
本研究借助帕克太阳探测器的抵近观测,证实日球层电流片的磁重联可将质子加速至400 keV,结合kglobal模型模拟揭示磁岛合并的加速机制,为近日太阳风高能粒子来源提供新证据。
2025-01-15 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
The Acceleration of Ions in Solar Flares During Magnetic Reconnection
太阳耀斑离子在磁重联过程中的加速是通过自洽地跟随质子和$α$粒子的运动的粒子模拟来探索的。我们证明了主导离子加热过程中的引导场(垂直于重联平面的磁分量)的结果从拾取行为在进入重联排气。与反平行重联相反,温度增量主要横向于局部磁场,而不是平行于局部磁场。质子和α的比较揭示了拾取行为中的质荷比($M/Q$)阈值,该阈值有利于加热高$M/Q$离子而不是质子,这与脉冲耀斑观测结果一致。
2011-10-10 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Magnetic Reconnection and Intermittent Turbulence in the Solar Wind
首次利用Wind航天器在1天文单位的现场测量结果,报道了太阳风中磁重联、电流片和间歇性湍流之间的统计关系。我们确定非高斯波动的磁场矢量,$\mathbf{B}$,这是空间和时间上不均匀的增量。发现重联事件和电流片集中在间歇性湍流的间隔中,使用增量的偏方差方法识别:在$\mathbf{B}$中最非高斯的1%波动内,我们发现87%-92%的重联耗尽和$\sim$ 9%的电流片。此外,随着从数据集中去除最小的间歇性波动,所识别的电流片也将对应于重连排气的可能性急剧增加。因此,湍流的太阳风包含了一系列的间歇性磁场结构,这些结构越来越多地与电流片相关联,而电流片又越来越有可能对应于磁重联的位置。这些结果可能对实验室和天体物理等离子体产生深远的影响,因为湍流和磁重联无处不在。
2014-03-18 physics.data-an physics.plasm-ph physics.space-ph
Asymmetric Magnetic Reconnection in Solar Flare and Coronal Mass Ejection Current Sheets
我们提出了二维电阻磁流体动力学模拟的线束缚非对称磁重联的背景下,太阳耀斑和日冕物质抛射电流片。重联过程是不对称的沿流入方向,通过允许初始上游磁场强度和密度不同,并沿流出方向放置的初始扰动附近的导电壁边界,代表光球。当上游的磁场是不对称的,耀斑后的环结构被扭曲成一个特征歪斜的蜡烛火焰形状。因此,模拟可以用来提供约束后耀斑环的重联不对称性。预计在弱磁场一侧的足点处会发生更多的硬X射线发射,因为高能粒子在那里比在强磁场足点处更有可能逃离磁镜。弱磁场侧的足点预计移动得更快,因为在两个维度上的要求是,必须从每个上游区域重新连接等量的通量。在所有具有非对称流出的模拟中,X线远离导电壁漂移,并且在具有非对称流入的大多数模拟期间,X线漂移到强磁场区域中。流入和流出方向的X线上均存在净血浆流。重联排气直接远离阻塞壁是显着快于排气直接对it.The不对称的流入条件允许净涡在上升流出等离子体团,这将出现作为围绕磁通绳轴的滚动运动。
2012-04-02 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Multi-scale observation of magnetotail reconnection onset: 2. microscopic dynamics
本研究利用MMS数据结合多平台观测,分析磁尾重联起始的微观动力学,揭示了电流片变薄、电子撕裂、磁岛与离子喷流的关联,判定了主次级X线并证实主X线更高效加速电子。
2023-11-09 physics.plasm-ph physics.space-ph
Particle Heating and Energy Partition in Low-$β$ Guide Field Reconnection with Kinetic Riemann Simulations
动力学黎曼模拟已经完成,以探讨在低$β$环境中的内日光层和日冕的引导场重联粒子加热。重联排气是由两个旋转不连续性(RD)和两个慢激波(SS)的排气内形成的磁流体动力学(MHD)模型。在RD处,离子被磁场张力加速以驱动重联流出以及在面外方向上的流动。面外流流向中平面并汇合以驱动SS。SS与MHD模型中的SS有很大不同。在激波前缘和上游和下游的湍流很弱,所以激波是层流的,几乎没有耗散。在SS的下游,逆流离子束导致更高的密度,这导致SS之间的正电势,其用于限制下游电子以保持电荷中性。电势将电子从SS的上游加速到下游区域,并捕获一小部分,但仅适度地将下游电子温度增加到上游值以上。在低- $β$极限中,释放的磁能在整体流动和离子加热之间分开,其中很少能量流向电子。该模型既不产生强电子加热,也不产生高能电子成分,这表明需要其他机制,如多个x线重联,来解释大耀斑中高能电子的产生。该模型可以用帕克太阳探测器的预期数据进行测试。
2019-07-27 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
The Onset of Ion Heating During Magnetic Reconnection with a Strong Guide Field
在磁重联过程中的离子加速的发病探讨通过在一个强大的环境引导场,自洽,同时遵循质子和$α$粒子的运动的限制粒子在细胞模拟。与反向平行磁场的重联相比,在与引导场重联期间平行于局部磁场的加热大大减少。在引导场重联期间热离子的主要加热是由于离子在进入重联排气期间的拾取行为,并且主要产生垂直于而不是平行于局部磁场的加热。拾取行为要求穿过排气边界的离子渡越时间(具有离子声拉莫尔半径的量级的横向尺度)与离子回旋加速器周期相比是短的。这转化为有利于加热具有高质荷比的离子的重连磁场强度的阈值。一个广泛的初始电流层的模拟产生一个重连系统中的重连磁场的振幅随着时间的推移而增加的耗散区的上游重连进行。记录了当超过拾取阈值时垂直加热的急剧开始。平行和垂直离子加热的时间变化与基于重连场的强度预测的时间变化的比较建立了离子加热与低于和高于拾取阈值的环境参数的缩放。在太阳日冕的离子加热观测的相关性进行了讨论。
2014-04-30 physics.plasm-ph physics.space-ph
Scaling of electron heating by magnetization during reconnection and applications to dipolarization fronts and super-hot solar flares
电子环速度空间分布先前已经在磁重联排气的数值模拟中看到,并且已经被认为是由压缩重联磁场对电子流出射流的磁化引起的[Shuster等人,${\it Geophys.~Res.~Lett.}, {\bf 41}$,5389(2014)]。我们提出了一个理论的主要和次要半径的环分布的依赖性仅在上游(波瓣)等离子体条件,从而允许预测的相关温度和温度各向异性的环上游参数。我们使用2.5维粒子在细胞(PIC)模拟不同的上游等离子体密度和温度的预测的有效性进行测试,发现预测值和模拟值之间的良好协议。我们证实了Shuster等人关于环形分布原因的建议,并且还发现环形分布位于重连磁场剖面中以平台或肩部为标志的区域中。温度的预测与观测到的电子温度在偶极锋是一致的,并可能提供一个解释的产生等离子体的温度在10秒MK的超热太阳耀斑。一个可能的扩展模型昼面重联进行了讨论。由于环分布是已知的激发哨声波,目前的结果应该是有用的量化的哨声波的产生在重联排气。
2022-08-01 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Reduction of Ion Heating During Magnetic Reconnection by Large-Scale Effective Potentials
本研究通过粒子模拟与解析方法发现,磁重联中大尺度平行电场关联势可增强电子加热、降低离子加热,能量分配取决于上游电子beta,而总热能转化占比或与上游参数无关。
2016-03-02 physics.plasm-ph physics.space-ph
Separatrices: the crux of reconnection
重联是天体物理学和实验室等离子体的关键过程之一:它与发电机相反。从能量的角度来看,发电机将动能转化为磁能,而重联则吸收磁能并返回其动能形式。大多数等离子体的核心过程都是先储存随着时间积累的磁能,然后突然释放。我们专注于这个释放。分析重联的一个关键概念是分界线,一个表面(二维线),它将嵌入在磁场线中的新鲜未扰动等离子体与嵌入在重联场线中的较热排气分离开来。在动力学物理学中,分界面成为许多关键过程发展的层。在这里,我们提出了新的结果,相对于在separatrices的过程,调节等离子体流,通电的物种,电磁场和不稳定性的separatrices开发。
2014-06-24 astro-ph.EP physics.plasm-ph physics.space-ph
Three-Dimensional Stability of Current Sheets Supported by Electron Pressure Anisotropy
用三维动力学粒子模拟方法研究了重联排气中电子流片的稳定性。在这里研究的电子流层形成自洽的重联制度与一个温和的引导场,由电子压力各向异性的压力分量平行于磁场方向大于垂直分量的支持,并远远超出电子动力学尺度。在3D中,除了几乎所有重联排气共同的漂移不稳定性,考虑的制度也表现出由电子压力各向异性驱动的电磁不稳定性。虽然波动在小尺度上调制电流密度,但它们不会破坏扩展的电子电流层的一般结构。因此,拉长的电流片应该持续足够长的时间,以便在空间观测和实验室实验中观察到。
2019-10-07 physics.plasm-ph
Relating the Phases of Magnetic Reconnection Growth to the Temporal Evolution of X-line Structures in a Collisionless Plasma
磁重联过程中的能量转换效率与重联率有关。虽然稳定的重联率已被广泛研究,它的增长之间的时间重联发病和峰值重联率尚未得到彻底的讨论。我们使用一个二维的粒子在细胞(PIC)模拟研究如何在生长过程中的非理想重联电场的演变,以及它如何与附近的x线的变化。我们确定了三个阶段的增长:1)缓慢的准线性增长,2)快速的指数增长,和3)锥形增长,然后在重连率达到峰值后出现负增长。通过对EDR结构变化的分析,我们将早期阶段与X线对称性的破坏相关联,通过前期双极Ez的侵蚀和阶段1中中性线处发散Ex图案的出现,随后是流入区域的扩张和阶段2中与平面外电场Ey相关的流入坡印亭通量Sz的增强。我们展示了霍尔场如何通过打开排气,缓解电子规模的瓶颈,并允许大坡印廷通量跨越分离面,从而促进第2阶段的快速增长。我们发现,快速流入的电磁能量积累,直到下游的电磁能量密度在阶段3接近初始的上游渐近值。最后,我们研究了如何在第3阶段的电子流出和下游的离子种群相互作用,以及每个物种如何与排气中的局部场结构交换能量。
2022-08-17 physics.comp-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
The effect of guide-field and boundary conditions on collisionless magnetic reconnection in a stressed X-point collapse
D的作品。Tsiklauri,T. Haruki,Phys. of Plasmas,15,102902(2008)和D. Tsiklauri和T. Haruki,Phys. of Plasmas,14,112905,(2007)通过包含面外磁场(引导)场而扩展。特别是,磁重联过程中的碰撞,强调$X$点崩溃不同的面外导场研究使用动力学,2.5维,完全电磁,相对论粒子在细胞的数值代码。研究了开边界条件和闭边界条件下的情况,其中磁通量和粒子分别是损失和守恒的。结果发现,重联率和平面外电流的$X$点增加更快,峰值更早在封闭的边界的情况下,但在开放的边界的情况下达到更高的值。归一化重连率快:0.10-0.25。在开放的边界的情况下,增加的引导场产量后发生在重联峰值率,而在封闭的边界的情况下,初始峰值率发生得更快,但被抑制。重联电流增加低导场,但随后类似地减少。在开边界情况下,对于平面内磁场量级的导场,会产生电子涡旋。涡流产生的可能原因,在扩散区和局部等离子体加热的颗粒的流动的基础上,进行了讨论。在峰重联开始之前,在$X$点的面外电场中发现振荡,频率范围从大约1到2 $ω_{pe}$,并且与振荡重联一致。这些振荡被发现是一个更大的波图案的一部分。映射平面外电场随时间的变化并应用2D傅立叶变换揭示了波主要对应于普通模式,并且可以对应于可观察到的无线电波,例如太阳射电爆发精细结构尖峰。
2013-12-18 astro-ph.SR 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
Probing Proton versus Electron Heating and Energization during Magnetic Reconnection
研究磁重联中质子与电子的加热和能量激发机制,发现质子因初始能量获取优势而持续比电子更快升温。
2025-12-13 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Efficiency of Nonthermal Particle Acceleration in Magnetic Reconnection
半个多世纪以来,磁重联过程中的非热粒子加速一直是太阳耀斑、脉冲星风、磁星等天体物理现象研究中的一个基本课题,其中一个尚未解决的问题是它的有效性。近年来,粒子模拟技术对非热粒子加速机制进行了广泛的研究,但如何将磁场能量分为热等离子体和非热粒子仍是一个令人感兴趣的谜。在这里,我们研究了非相对论性和相对论性磁重联使用大规模的粒子在细胞模拟的对等离子体,并指出,生产的非热粒子变得有效的等离子体温度的增加。在相对论热等离子体的情况下,我们确定,加热等离子体的重联可以近似为一个kappa分布函数的kappa指数约为3或更小(相当于2或更小的幂律指数),和重联的非能量密度约超过95%的总内能在下游排气。
2022-04-01 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Spontaneous reconnection at a separator current layer. I. Nature of the reconnection
磁分离器位于四个拓扑不同的通量域之间的边界上,是三维磁场中重联的主要位置,特别是在行星和行星际磁场之间的磁层中以及在太阳大气中。分离器重联的细节还知之甚少,因此本文的目的是研究单个分离器上的磁重联特性。三维,电阻磁流体动力学数值实验研究分离器重联从磁流体静力学平衡,其中包含一个扭曲的电流层沿一个单一的分离器连接一对相反极性的零点。由此产生的重连分两个阶段发生。第一种是涉及快速重连的短路,其中分离器处的电流减小约2.3倍。大部分($75\%$)磁能在此阶段通过欧姆耗散直接转化为内能,只有$0.1\%$转化为动能。在这个阶段,重联发生在分离器的大部分远离其端部(零),但在一个不对称的方式,随着时间的推移,在空间和时间上的变化。第二个阶段要长得多,涉及缓慢的脉冲突发重连。再次,欧姆加热优于粘性阻尼。在这里,重新连接发生在小的局部突发随机任何地方沿分离器。
2016-01-28 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.plasm-ph
The roles of fluid compression and shear in electron energization during magnetic reconnection
空间和天体物理重联点的粒子加速是磁重联研究中尚未解决的重要问题。早期的动力学模拟已经确定了与粒子漂移运动相关的几种加速机制。在这里,我们表明,对于足够大的系统,由于粒子漂移运动的湍流过程可以被描述为流体的压缩和剪切,并且剪切湍流与高能粒子的压力各向异性成正比。通过对全动力学模拟结果的分析,我们发现在弱引导场作用下,高能粒子重联的加速主要是压缩效应,当引导场占重联分量的50%时,压缩效应和剪切效应相当.空间分布的这些扰动效应表明,重联排气,收缩岛,岛合并区是三个最重要的区域压缩和剪切加速。本研究将粒子导引中心漂移运动引起的粒子运动与高能粒子输运理论中的背景流体运动引起的粒子运动联系起来。为建立大尺度重联加速(如太阳耀斑)的粒子输运模型提供了基础。
2018-03-13 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Discovery of double Hall pattern associated with collisionless magnetic reconnection in dusty plasmas
本文通过首次对含带负电尘埃颗粒的三组分等离子体进行全动力学模拟,发现由传统霍尔四极电流与反向霍尔电流构成的双霍尔结构,并分析了重联率,为解释行星磁层及天体物理现象提供依据。
2023-05-30 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.plasm-ph
Electron-only magnetic reconnection in plasma turbulence
本文采用Hybrid-Vlasov-Maxwell方法模拟了在广义欧姆定律下考虑非线性电子惯性效应的磁化等离子体湍流。当波动能量被注入足够接近离子动力学尺度的尺度上时,离子有效地变得去磁,并且电子尺度的电流片在很大程度上主导了新兴电流结构的分布,与通常的情况相反,通常观察到完整的结构尺寸层次。这些电流片被证明是电子只重联(电子rec)的网站,其中通常的电子排气是不伴随离子流出,这是在定性协议与最近观察到的MMS在地球的湍流磁鞘,下游的弓激波。的电子-rec现象的一些功能被证明是一致的电子磁流体动力学的描述。模拟表明,这种制度的碰撞重联可能会发现在湍流系统中的等离子体过程,如微不稳定性和/或冲击,压倒更常见的湍流级联直接注入能量接近离子动力学尺度。
2020-07-16 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-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
Ion and Electron Acoustic Bursts during Anti-Parallel Magnetic Reconnection Driven by Lasers
磁重联在等离子体中将磁能转化为热能和动能。在众多的候选机制,离子和电子之间的相对漂移,或等效的电流驱动的离子声不稳定性,已被建议在耗散的磁能在无碰撞等离子体中发挥关键作用。然而,由于离子朗道阻尼和在实验室中求解德拜长度尺度的困难,它们在重联过程中的存在和有效性还没有得到很好的理解。在这里,我们报告了一个突然发病的离子声脉冲测量集体汤姆逊散射排气反平行磁驱动重联使用高功率激光。离子声脉冲之后是电子声脉冲,伴随着电子加热和体加速。我们重现这些观察与1D和2D粒子在细胞模拟中,电子外流射流驱动离子声学不稳定性,形成双层。这些层诱导电子双流不稳定性,产生电子声脉冲并激发电子。我们的研究结果表明,离子和电子声学动力学在重联时,离子朗道阻尼是无效的,适用于一系列的天体物理等离子体,包括近地空间,恒星耀斑,和黑洞吸积引擎的条件的重要性。
2023-03-29 physics.plasm-ph
Magnetic Reconnection on a Klein Bottle
本文提出一种基于克莱因瓶拓扑的磁重联模拟新边界条件,其计算成本低于周期边界,重联磁通量多于导电边界,且无需外部假设,但仅适用于对称上游等离子体。
2024-07-19 physics.plasm-ph physics.space-ph
Three-dimensional magnetic reconnection in particle-in-cell simulations of anisotropic plasma turbulence
我们使用3D完全动力学粒子模拟来研究磁重联的发生在各向异性反向传播的低频Alfvén波与临界平衡理论一致的衰减湍流的模拟。我们观察到的小规模的电流密度结构,如电流丝和电流片的形成,以及形成的磁通量绳的湍流级联的一部分。在模拟域中存在的大的磁结构保持初始各向异性,而湍流级联产生的小尺度结构的各向异性较小。为了量化我们的模拟域中重连的发生,我们开发了一套新的指标,基于强度阈值来识别重连事件,其中离子和电子都在3D粒子模拟中被加热和加速。根据这些指标的应用,我们确定了重联事件的发生在模拟域中,并详细分析了这些事件之一。这一事件与两条磁绳的重联有关,相关的离子和电子排气呈现出复杂的三维结构。我们研究了沿着经过重联区域附近和穿过重联区域的人造航天器轨迹记录的等离子体和磁场波动的分布。我们的研究结果表明,在太阳风的各向异性Alfvénic湍流级联产生的磁通量绳内的小尺度重联事件相关的粒子加热和加速的存在。这些事件与电流结构有关,电流结构的大小为几个离子惯性长度。
2021-03-24 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Particle acceleration in kinetic simulations of non-relativistic magnetic reconnection with different ion-electron mass ratio
利用完全动力学粒子模拟方法,研究了质子与电子质量比$m_i/m_e$对磁重联能谱和加速机制的影响.虽然动力学模拟是必不可少的研究粒子加速过程中磁重联,减少$m_i/m_e$经常被用来减轻苛刻的计算资源,这会导致人为的电子和质子尺度之间的尺度分离。最近的动力学模拟与高质量比建议新的制度的重联,电子压力各向异性发展的排气区,并支持扩展的电流层。在这项工作中,我们研究是否不同的$m_i/m_e$改变粒子加速过程进行了一系列的模拟与不同的质量比($m_i/m_e=25-400$)和引导场强度在低$β$等离子体。我们发现,质量比并没有强烈的影响重联率,磁能转换,离子内能增益,等离子体放电过程,离子能谱,以及高能离子的加速机制。不同质量比的模拟结果对电子加速过程的影响不同,包括电子内能增益、电子能谱以及对高能电子的加速效率。我们发现,高能量电子加速变得不那么有效时,质量比变得更大,因为\textit{Fermi}类似的机制与粒子曲率漂移变得不那么有效。结果表明,当粒子曲率漂移主导高能粒子加速时,粒子动力学尺度离磁场曲率尺度($\sim d_i$)越远,加速越弱.
2019-05-21 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Unified Framework of Forced Magnetic Reconnection and Alfven Resonance
提出统一线性理论,将受迫磁重联纳入阿尔文共振框架,揭示共振极点留数机制及频率对重联区制、重联率和磁通的影响。
2024-06-03 physics.plasm-ph
Orientation and stability of asymmetric magnetic reconnection x-line
采用三维粒子模拟方法研究了非对称几何条件下重联x线的取向和稳定性。我们在一个大的模拟域的中心启动重连,以尽量减少边界效应。所得到的x线具有足够的自由度以沿着最佳方向发展,并且其保持层状。伴随的2D模拟表明,这种x线方向最大化的重新连接率。非旋向压力张量的发散打破了冻结条件,与其二维对应物一致。然后,我们设计三维模拟,其中一个维度很短,以固定x线方向,但足够长,以允许增长最快的斜撕裂模式的增长。这个数值实验表明,重联往往辐射二次倾斜撕裂模式,如果它是外部(全球)被迫进行沿本地物理不赞成的方向。斜结构的发展容易导致小周期系统内部的湍流。
2018-05-20 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.plasm-ph
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
3D Solar Null Point Reconnection MHD Simulations
在过去的几年里,日冕中3D重联事件的数值MHD模拟不仅在分辨率上而且在复杂性上都有了很大的提高,使得建模变得越来越真实。初始磁场的获取方法多种多样,太阳大气模型的形式多种多样,驱动速度和模式也多种多样。这项研究考虑了分层和非分层太阳大气模拟之间的差异,解决了驱动速度对等离子体流和能量学的影响,并提供了定量的公式映射电场和耗散水平在数值模拟中得到相应的太阳量。模拟开始从一个潜在的磁场包含一个零点,从太阳和日光层天文台(SOHO)磁图外推约8小时前观察到的C级耀斑。磁场的应力与边界运动模式类似-虽然比-SOHO观测到的水平运动在耀斑之前的时期。一般的行为是几乎独立的驾驶速度,也是非常相似的分层和非分层模型,只要边界运动是足够慢。边界运动导致电流片的积累,主要是在磁零点的扇平面,但不会导致耀斑般的能量释放。耀斑所需的额外自由能在初始状态下可能部分以非势的形式存在,随后由于磁通量的出现或由于边界运动的分量而增加,这些分量不是由理想化的驱动模式表示的。
2012-11-06 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Study of magnetic reconnection at low-$β$ using laser-powered capacitor coils
本文介绍了激光驱动电容器线圈平台micro-MRX,在低β条件下研究磁重联,直接测量到面外电场加速电子并观测到离子声波与电子声波爆发,为实验室磁重联研究提供了新途径。
2024-10-03 astro-ph.HE astro-ph.IM astro-ph.SR
On the importance of separators as sites of 3D magnetic reconnection
该研究通过数值实验发现三维磁重联位点均由分离线穿过,且簇间分离线因连接不同弱场区且伴随强平行电场,是导致磁场全局重构的关键重联位点。
2024-09-23 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.plasm-ph
Electron Heating During Magnetic Reconnection: A Simulation Scaling Study
利用动力学粒子模拟方法研究了对称入流条件下磁重联过程中电子体加热的情况。电子加热的程度与基于重联磁场的流入阿尔文速度$c_{Ar}$通过关系式$ΔT_e = 0.033 \,m_i\,c_{Ar}^2$很好地相关,其中$ΔT_{e}$是电子温度的增加。对于所进行的模拟范围,加热显示与流入总温度$T_{tot} = T_i + T_e$或等离子体$β$几乎没有相关性。与重连场大小相似的平面外(引导)磁场不会影响总加热,但它会抑制垂直加热,几乎所有加热都在平行方向上。这些结果与最近对向阳面磁层顶电子加热的统计调查定性一致,该调查还发现$ΔT_e$与流入的阿尔文速度成正比。净电子加热随x线下游距离的变化很小。模拟结果表明,在最多一个非常弱的依赖电子加热的离子与电子的质量比。在反平行重联的情况下,大部分平行加热最终各向同性下游由于散射机制,如随机粒子运动或不稳定性。该研究强调了电子加热机制必须满足的关键特性:(1)平行方向的优先加热;(2)与$m_i\,c_{Ar}^2$成比例的加热;(3)最多对电子质量的弱依赖性;(4)排气电子温度随距离x线的变化很小。
2014-10-05 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Suppression of Collisionless Magnetic Reconnection in the High Ion $β$, Strong Guide Field Limit
本文利用动力学理论和混合粒子模拟,研究了高离子β值对引导场磁重联的影响,发现当β足够大时重联被抑制且出流速度按$v_0 \propto 1/\sqrt{β_{i}}$降低,此结论适用于嵌入热等离子体中的重联系统。
2024-08-27 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Influence of 3D plasmoid dynamics on the transition from collisional to kinetic reconnection
在电阻磁流体动力学模型中,高伦德奎斯特数重联层对等离子体团不稳定性是不稳定的,导致湍流演化,其中重联率可以独立于底层电阻率。然而,这些结果的物理相关性在许多应用中仍然值得怀疑。首先,重联电场通常远高于失控极限,这意味着碰撞电阻率是无效的。此外,理论和模拟表明,等离子体团的形成可能会迅速引起过渡到动力学尺度,由于薄电流片的形成。在这里,这个问题是第一次研究使用第一性原理动力学模拟与福克-普朗克碰撞算子在3D中。低- $β$重连电流层迅速变薄,由于焦耳加热之前的斜等离子体团不稳定性的发病。标准($k_y = 0$)撕裂模式的线性增长率同意半碰撞边界层理论,但倾斜($|k_y|>0$)模式的角谱显着窄于预测。在非线性区域,由不稳定性形成的磁通绳在重联流出射流的作用下经历复杂的相互作用,导致具有随机磁场的湍流状态。以类似于以前的2D结果的方式,超德莱塞场诱导过渡到动力学重联薄电流层之间形成的磁通绳。这些结果可能在新的实验室实验中得到检验。
2019-06-12 astro-ph.SR physics.plasm-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
Spacecraft observations and analytic theory of crescent-shaped electron distributions in asymmetric magnetic reconnection
在动力学模拟的支持下,我们导出了一个排斥能参数$\cal{E}_X$,它为电子在磁重联过程中从一个流入区穿越到另一个流入区提供了一个较低的动能边界。正如麦克斯韦恶魔,只有高能量的电子被允许穿过内部重联区,设置在不对称重联期间沿低密度侧分界线观察到的电子分布函数。解析模型解释了航天器在沿低密度分界线的薄边界层中观测到的两种不同的新月形电子分布。
2016-07-19 physics.plasm-ph
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
Dynamics of braided coronal loops II: Cascade to multiple small-scale reconnection events
目的:我们的目的是研究含有编织磁通量但没有净电流或螺旋度的磁环的电阻弛豫。该回路受系线边界条件的约束。我们调查的动力学过程中发生的放松,特别是磁重联发生,并讨论最终平衡的性质。方法:编织磁场的三维演变是遵循一系列的电阻MHD模拟。结果:研究发现,随着环内的不稳定性,无数的薄电流层形成,通过级联状的过程。这种叶栅变得更加发达,并持续更长的时间为更高的磁雷诺数。在级联过程中,磁通量被重联多次,这种“多重重联”的水平与磁雷诺数呈正相关。最终,系统演化到不再有小规模电流层的状态。这个最终状态被发现近似于一个非线性的无力场,由两个相反的符号扭曲的磁通管嵌入在一个均匀的背景场。
2010-10-21 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
Two-scale structure of the electron dissipation region during collisionless magnetic reconnection
用PIC方法模拟了无碰撞磁重联,结果表明,电子耗散区沿流出方向呈现明显的双尺度结构.发现电子电流层的长度随着电子质量的减小而减小,接近质子-电子等离子体的离子惯性长度。然而,令人惊讶的是,电子形成了一个高速流出射流,该射流与磁场保持解耦,并从x线向下游延伸了很大的距离。在非常大的系统中,重联的速率仍然很快,与边界条件和电子质量无关。
2007-04-06 physics.plasm-ph physics.space-ph
2D Numerical Simulation of the Resistive Reconnection Layer
在本文中,我们提出了一个二维数值模拟的重联电流层在不可压缩的电阻磁流体力学与均匀电阻率在极限的非常大的Lundquist数。我们使用现实的边界条件来自一致的外部磁场,我们也考虑到反压力的影响,从流动到分界线区域。我们发现,在几个阿尔芬倍的系统达到一个稳定的状态与Sweet-帕克模型一致,即使初始状态是Petschek。
1999-07-14 astro-ph physics.plasm-ph physics.space-ph