Small-scale dynamos: From idealized models to solar and stellar applications
本文综述小尺度发电机从宁静太阳观测、理想化运动学增长与非线性饱和模拟，到太阳及类太阳恒星对流发电机应用的研究进展。
2023-05-04 astro-ph.SR
Stellar Magnetic Dynamos and Activity Cycles
利用824颗太阳和晚型恒星的X射线光度和自转周期的新的统一样本，我们研究了旋转和恒星活动之间的关系，被认为是潜在的恒星发电机的探针。使用样本的无偏子集，我们计算活度-旋光度关系的不饱和区的幂律斜率为$L_X/L_{bol}\propto Ro^β$，其中$β=-2.70\pm0.13$。这与置信度为5 $σ$的典型$β= -2$斜率不一致，并支持接口型发电机。利用经验饱和阈值和理论超饱和阈值，我们绘制出了三种日冕辐射随恒星质量和年龄的变化规律。我们发现，经验饱和时间尺度与恒星从快速旋转对流序列过渡到缓慢旋转的恒星自旋模型中的接口序列的时间相关。这可能暗示着恒星发电机或内部结构的根本变化。我们还提出了第一次发现的X射线不饱和，完全对流的M星，这可能是暗示在一个潜在的旋转活动的关系，在完全对流的恒星迄今尚未观察到。最后，我们提出了早期的结果，从一个盲目的搜索恒星的X射线周期，可以放置有价值的限制基本的无处不在的类太阳活动周期。
2013-09-26 astro-ph.SR
Saturation of large-scale dynamo in anisotropically forced turbulence
由于磁螺旋度平衡的限制，湍流发电机理论在获得短动力学时间尺度上的大尺度磁场演化方面遇到了困难。这对于理解太阳、恒星和星系等天体物理系统中的大尺度磁场演化具有重要意义。直接数值模拟（DNS）在过去的各向同性强迫螺旋湍流表明，大规模发电机饱和时间尺度依赖于磁雷诺数（Rm）。在这项工作中，我们已经进行了周期性的盒DNS的螺旋强制湍流导致一个大规模的发电机与两种强迫功能，一个各向同性的基础上使用的PENCIL代码和各向异性的基于Galloway-Proctor流。我们表明，当湍流被迫各向异性，非线性（饱和）行为的大型发电机只有弱依赖于RM。事实上，各向异性情况下的磁螺旋度在小尺度和大尺度上的演化与各向同性情况下的磁螺旋度演化有明显的不同。这一结果可能为缓解灾难性淬火等重要问题带来希望。
2021-12-02 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.flu-dyn
Solar dynamo cycle variations with a rotational period
使用非线性平均场发电机模型，我们计算的磁周期参数，如发电机周期，总磁能的振幅，和坡印亭通量光度从表面的太阳类似物的旋转周期范围从1到30天。我们做运动和非运动发电机模型的模拟。考虑了非线性$α$效应和磁浮力引起的磁通量损失的运动发电机模型表明，随着恒星自转周期的减小，磁周期减小.自转周期小于10天的恒星表现出磁活动的非定常长期变化。非动力学发电机模型考虑了对流区内部大尺度流动和热输运的磁场反馈。它们表明发电机周期随转速的非单调变化。对于小于10天的自转周期，模型表现出非平稳演化，随着自转速率的增加，主发电机周期略有增加。非运动学模型显示了发电机产生的磁通量随转速的增加而增加。当恒星自转周期为两天或更短时，存在发电机饱和现象，磁活动参数的饱和伴随着差自转的降低。
2021-01-26 astro-ph.SR
Nonlinear turbulent dynamo during gravitational collapse
通过湍流发电机的放大，磁场可能对第一批恒星的形成具有潜在的重要性。为了研究原初气体引力坍缩过程中的发电机行为，我们将非线性湍流发电机理论扩展到包括引力压缩效应。发电机和压缩之间的相对重要性在收缩过程中变化，随着密度的增加，磁场的放大从发电机为主过渡到压缩为主。在磁场放大的非线性阶段，由于湍流与磁场的能量按尺度平均分配，理想磁流体动力学（MHD）湍流中磁场的重联扩散就显得尤为重要。它导致磁通冻结条件的破坏，并解释了（a）非线性发电机的小增长率，（b）在收缩过程中磁能对密度的弱依赖性，（c）饱和磁能，以及（d）磁场的大关联长度。由此产生的磁场结构和磁场强度与密度的比例关系与磁通冻结的预期完全不同。
2020-07-21 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.plasm-ph
The role of diffusivity quenching in flux-transport dynamo models
在发电机过程的非线性阶段中，磁场对湍流运动的反作用导致湍流水平的降低，并因此抑制磁场放大（α-猝灭效应）和湍流磁扩散率（η-猝灭效应）。虽然前者已被广泛探讨，在磁场演变的eta淬火的影响很少被考虑。在这项工作中，我们调查的作用，抑制扩散的通量传输太阳发电机模型，也包括一个非线性α淬火长期。我们的研究结果表明，虽然α-淬火的磁场放大与淬火因子的依赖关系是近线性的，磁场响应η-淬火是非线性和空间不均匀的。我们已经发现，在这种情况下，磁场可以局部放大，形成长寿命的结构，其最大振幅可以高达~2.5倍以上的速跃层和高达~2倍以上的对流区中心比在没有淬火的模型。然而，这种放大导致不可观察的效应和蝶形图中磁场的更差分布。由于发电机循环周期增加时，淬火的效率增加，我们还探讨了η-淬火是否可以导致扩散为主的模型漂移到对流为主的制度。我们已经发现，模型经历了一个大的抑制扩散产生强烈的隔离的磁场，可能会导致不稳定的dynamo-oscillations。另一方面，一个最初的扩散主导的模型经历了一个小的抑制在eta仍然在扩散主导的制度。
2009-06-19 astro-ph.SR
Magnetic helicity fluxes in interface and flux transport dynamos
太阳和其他天体中的发电机倾向于产生磁场，这些磁场在大尺度和小尺度上分别具有相反符号的磁螺旋度。在小尺度上磁螺旋度的积累提供了一个重要的饱和机制。为了理解太阳发电机的本质，我们需要了解球面几何中饱和机制的细节。特别是，我们想了解的影响，磁螺旋度通量的湍流和纬向环流。我们考虑一个模型，只是径向剪切局限于一个薄层（速跃层）在对流区的底部。由于螺旋湍流的动力学α被假定为局部化在对流区上方的区域中。动力学淬火形式主义是用来描述的平均磁螺旋度的模型中，这导致在一个反馈的动力学α效应的磁α效应的建立。在某些情况下，我们使用一个简单的代数α淬火公式得到的结果进行比较。与早期的研究结果一致，在动态α淬火形式主义的磁α效应具有相反的符号相比，动力学α效应，并导致灾难性的减少，随着磁雷诺数的饱和磁场强度。然而，在高纬度地区，由于α的符号相反，这种猝灭效应会导致二次发电机波向极地传播。来自湍流混合和涡旋环流的磁螺旋度通量减轻了灾难性的猝灭。
2010-05-28 astro-ph.SR
Gravitoturbulent dynamo in global simulations of gaseous disks
引力不稳定性（GI）驱动的湍流可以放大大质量气体盘中的磁场。这个GI发电机可能出现在年轻的星周盘，其弱电离挑战其他放大路线，以及在活动星系核。虽然被认为是一个大规模的发电机，只有当地的模拟到目前为止描述了它的运动机制。研究了全球磁流体动力学（MHD）模型中吸积盘的GI发电机，着重于其运动学相。我们进行电阻MHD模拟与冥王星代码不同的辐射冷却时间和电的双折射率。一个弱磁场种子发电机，我们采用平均场和启发式模型捕捉其本质。我们恢复相同的感应过程，导致磁场放大，如先前确定的本地模拟。然而，发电机本质上是全球性的，通过固定增长率的大规模发电机模式连接遥远的圆盘环。这种大规模的放大可以用一个不依赖于传统α-Ω效应的平均场模型来描述。当改变圆盘参数时，我们发现有利于磁放大的最佳电阻率，其磁雷诺数Rm < 10，比局部模拟小得多。与局部模拟不同，我们发现了一个最佳的冷却速率和全局振荡发电机模式的存在。发电机的非线性饱和使磁盘处于GI有效范围的边缘上的强磁化湍流状态。在我们的模拟中，吸积功率最终超过了局部热平衡对冷却所需的阈值，使GI发电机的长期非线性结果不确定。
2022-07-04 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
Coherent structures and the saturation of a nonlinear dynamo
欧拉和拉格朗日工具被用来检测相干结构的速度和磁场的平均场发电机，产生的三维可压缩磁流体动力学方程的各向同性螺旋强迫和中等雷诺数的直接数值模拟。发电机的两个不同的阶段进行了研究，运动学阶段，种子磁场经历指数增长，和饱和制度。结果表明，拉格朗日分析检测结构更详细，除了提供信息的混沌混合性能的流量和磁场。将传统的利用有限时间李雅普诺夫指数检测拉格朗日相干结构的方法与最近发展起来的一种称为函数M的方法进行了比较。后者示出产生更清晰的图片，容易允许识别的双曲线区域中的磁场，其中混沌运输/分散的磁场线是高度增强的。
2012-10-24 astro-ph.SR nlin.CD physics.plasm-ph
Turbulent Magnetogenesis and Large-scale Magnetic Dynamo Amplification in Ion--electron Plasmas
KU Leuven（荷语鲁汶大学）；Royal Belgian Institute for Space Aeronomy（比利时皇家空间空气动力学研究所）；National Research Council (CNR-ISTP)（国家研究委员会）；Università della Calabria（卡拉布里亚大学）；University of Delaware（特拉华大学）
利用全动力学模拟研究离子 - 电子等离子体磁生成，发现两阶段机制，电子压力各向异性引发电子 - 韦贝尔模式，离子各向异性驱动离子 - 韦贝尔型模式，还有比尔曼电池机制，使磁场放大，为磁生成提供解释。
2026-07-07 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.SR
Open and closed boundaries in large-scale convective dynamos
上下文早期的工作表明，大型发电机可以达到并保持均分的动态时间尺度上的磁场强度，只有当磁螺旋度的波动场可以摆脱域通过开放的边界。目标。我们的目的是测试这种情况下，对流驱动发电机的开放和封闭的边界条件下的结果进行比较。方法.采用三维数值模拟方法，研究了边界条件对大尺度发电机的激励和饱和的影响。磁场采用开放（垂直场）和封闭（理想导体）边界条件。剪切流是这样的，剪切的轮廓是垂直的，穿过外表面，因此非常适合于驱动剪切诱导的磁螺旋通量。结果我们发现，对于给定的剪切和旋转速率，如果使用开边界条件，磁场的增长率较大。的增长率首先增加小磁雷诺数，Rm，但然后趋于稳定在一个近似恒定的值为中间值的Rm。当Rm足够大时，一个小规模的发电机被激发，在这个区域中，场的增长率随着Rm^（1/2）而增加。关于非线性区域，当使用开放边界时，总磁场的能量的饱和水平与Rm无关。在理想导体边界的情况下，饱和水平首先作为Rm的函数增加，但是当Rm > 30时，饱和水平随后与Rm^（-1）成比例地减小，这指示灾难性猝灭。这些结果表明，当使用开放边界时，剪切诱导的磁螺旋度通量可以有效缓解灾难性猝灭。水平平均平均场仍然弱地作为Rm的函数减小，即使对于开放边界。
2011-07-06 astro-ph.SR
A comparison between grid and particle methods on the small-scale dynamo in magnetised supersonic turbulence
我们执行的平滑粒子磁流体动力学（SPMHD）的代码，幻影，和欧拉网格为基础的代码，Flash，驱动，马赫数10湍流的小尺度湍流发电机之间的比较。我们表明，第一次，指数增长和饱和的初始弱磁场通过小规模发电机可以成功地再现与SPMHD。这两个代码同意的行为的磁能谱，饱和水平的磁能，和分布的磁场强度在生长和饱和阶段。主要的区别是发电机的增长率，其对分辨率的依赖性，不同的代码，造成的数值耗散和冲击捕获计划的差异，导致在幻影和闪光的有效普朗特数的差异。
2016-05-27 astro-ph.GA astro-ph.IM astro-ph.SR
The critical role of magnetic helicity in astrophysical large-scale dynamos
回顾了磁螺旋度在天体物理学大尺度发电机中的作用，并与没有能量供应和初始磁场只能衰减的情况进行了比较。在这两种情况下，磁能往往会重新分布到更大的尺度上。根据磁螺旋度通量的效率，螺旋场的衰减可以加速。同样，螺旋发电机的饱和可以通过磁螺旋度通量来加速。这些过程在天体物理学上的重要性在太阳发电机的背景下进行了评述，并给出了磁螺旋度通量的估计上限为10^46 Mx^2/周。
2009-09-24 astro-ph.SR
Dynamo saturation through the latitudinal variation of bipolar magnetic regions in the Sun
对太阳磁周期的观测表明，周期的振幅在过去并没有一直增长。因此，必须有一种机制来阻止太阳磁场的增长。我们证明了一个最近提出的机制，这在Babcock-Leighton发电机框架下，这被认为是目前最有前途的范例太阳磁场的产生。这一机制是基于这样一个观测事实：较强的太阳活动周期在高纬度地区产生双极磁区，因此比较弱的太阳活动周期具有更高的平均纬度。我们在我们的三维巴布科克-莱顿太阳发电机模型中捕捉到这种效应，并表明当环形磁场试图增长时，它会在较高纬度产生BMR。在高纬度的BMR产生一个较小的极向场，从而限制了我们的模型中的磁场的整体增长。因此，我们的研究表明BMR的纬度变化是限制太阳磁场增长的潜在机制。
2021-02-01 astro-ph.HE astro-ph.IM astro-ph.SR
Catastrophic quenching in alpha-Omega dynamos revisited
在大的磁雷诺数下，磁螺旋度的演化在天体物理的大尺度发电机中起着重要的作用。对这一事实的认识导致了动态α淬火形式主义的发展，它预测了开放系统中灾难性的低平均场。在这里，我们表明，在振荡的α-欧米茄发电机，这种形式主义预测非物理磁螺旋度尺度之间的转移。另一种技术，提出了这种人工制品被删除，通过使用的发展方程的磁场螺旋度的总场在剪切-平流规范。在传统的动力学α猝灭形式主义中，这可以被描述为小尺度场的额外的磁螺旋通量，这在均匀α平方发电机中不会出现。在阿尔法-欧米茄发电机，替代形式主义，导致更大的饱和领域比以前获得的传统形式主义。
2012-03-07 astro-ph.SR
Generation of strong magnetic fields via the small-scale dynamo during the formation of the first stars
在这里，我们总结了我们最近的高分辨率计算机模拟结果的湍流放大弱磁种子场显示，这种领域将呈指数放大，也在引力坍缩让人想起的情况下，在原始恒星形成。指数磁场放大是由湍流小尺度发电机驱动的，只有在中央核心的湍流运动得到充分解决的情况下，才能在计算机模拟中观察到这种情况。我们发现，牛仔裤的长度，决定了中央核心区域，必须解决至少30个网格单元，以捕捉发电机活动。我们从研究中得出结论，强磁场将在宇宙中第一批恒星的形成过程中产生，可能会影响它们的演化和质量分布。
2012-02-21 astro-ph.CO astro-ph.SR
Collapse-accelerated small-scale dynamos in the first stars and galaxies
International Centre for Theoretical Sciences（国际理论科学中心）
本研究探讨引力坍缩对小尺度发电机放大磁场的影响，发现坍缩可显著加速发电机，使磁场在坍缩时间内达到动力学显著强度，影响第一代恒星与星系的形成与演化。
2026-10-05 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.SR
Dynamo-driven plasmoid formation from a current-sheet instability
轴对称载流等离子体团的形成在非轴对称波动的存在下，在非线性三维电阻磁流体模拟在一个全球性的环形几何形状。我们利用螺旋度注入技术来形成一个初始的极向磁通的存在下的环形引导场。当注入螺旋度时，两种类型的电流片由1）注入器区域中的相反方向的场线（初级重联电流片）和2）等离子体边缘附近的极向通量压缩（边缘电流片）形成。我们首先发现，非轴对称波动所产生的电流片不稳定性附近的等离子体边缘孤立撕裂宇称，但仍然可以快速增长（极向阿尔芬时间尺度）。这些模式通过打破电流片而饱和。第二，第一次观察到的发电机极向通量放大在reconnetion网站（在该地区的相反方向的磁场）。这种波动引起的通量放大增加了当地的伦德奎斯特数，然后触发了等离子体团不稳定性，并打破了在重联网站的主要电流片。大规模通量放大驱动的等离子体团形成，即大规模发电机，这里观察到的天体物理重联以及实验室等离子体中的快速重联事件具有强烈的影响。
2016-10-28 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Current helicity constraints in solar dynamo models
我们调查在何种程度上，目前在太阳活动区观测到的螺旋度分布是兼容的太阳发电机模型。我们使用一个先进的二维平均场发电机模型发电机行动主要集中在底部附近的对流区，发电机饱和的基础上的演变的磁螺旋度和代数淬火。为了比较，我们还研究了一个更基本的二维平均场发电机模型与简单的代数α淬火。利用这些数值模型，我们得到了小尺度电流螺旋度和大尺度磁螺旋度的蝶形图，并与观测得到的活动区电流螺旋度的蝶形图进行了比较。这种比较表明，目前的螺旋度的活动区，估计由$-A \cdot B$评估的深度，从活动区的出现，类似于观测数据比小尺度的电流螺旋度直接计算的螺旋度演变方程。这里，$B$和$A$分别是发电机产生的平均磁场及其矢势。
2012-12-07 astro-ph.SR
Lagrangian coherent structures in nonlinear dynamos
湍流和混沌在恒星对流区中通过粒子、能量和动量的传输起着重要作用，在快速发电机中通过磁通量管的拉伸、扭曲和折叠起着重要作用。描述湍流运动的一个特别有启发性的方法是通过分析拉格朗日相干结构（LCS），它是在流体中充当传输屏障的物质线或表面。我们报告的检测拉格朗日相干结构的螺旋磁流体发电机模拟尺度分离。在一个ABC流，两个发电机制度，传播相干平均场制度和间歇制度，被确定为磁扩散率的变化。吸引和排斥LCS在这两个制度的混乱纠缠之间的鲜明对比允许一个独特的分析的影响，磁场的速度场。在第二个例子中，LCS揭示了当磁场超过均分值时，速度场的混沌混合水平与大型发电机的饱和之间的联系。
2011-05-19 astro-ph.SR
The magnetic helicity density patterns from non-axisymmetric solar dynamo
在本文中，我们研究的螺旋度密度图案，这可能会导致从新兴的双极区。利用相应的发电机模型和磁螺旋度守恒定律，我们发现双极区周围的螺旋度密度分布依赖于周围大尺度磁场的位形，一般呈现四极分布。该图案相对于赤道的位置可以取决于双极区域的倾斜。计算了螺旋度密度演化的时纬图。双极区的纵向平均效应显示每个半球的密度分布有两个符号带。类似的螺旋度密度模式提供了从新兴的双极区的螺旋度密度通量进行表面差异旋转。考察了双极区螺旋度通量对大尺度发电机的影响，发现它对发电机饱和的影响可以忽略不计。
2020-12-09 astro-ph.SR
Numerical simulations of quiet Sun magnetic fields seeded by Biermann battery
宁静太阳的磁场在任何时候都覆盖了其表面的90%以上，其磁能收支对于解释太阳大气的热结构至关重要。这些场的一个可能的起源是由于太阳上层对流区的局部发电机的作用。现有的模拟本地太阳发电机需要一个初始的种子场，和足够高的空间分辨率，以实现放大的种子场的观测值在安静的太阳。在这里，我们报告了另一种模型的基础上的行动的比尔曼电池效应的播种。由于部分电离的太阳等离子体中电子压力的局部不平衡，这种效应产生磁场。我们表明，电池效应自洽地创建从零开始的初始种子场的强度的顺序微G，并与发电机放大，允许安静的太阳磁场的产生类似的强度从太阳观测。
2017-06-19 astro-ph.SR
The Saturation Limit of the Magnetorotational Instability
对均匀剪切盒中磁旋转不稳定性（MRI）的模拟表明，磁场的渐近强度随着分辨率的增加而急剧下降。在这里，我模型的MRI驱动发电机作为一个大规模的发电机驱动的垂直磁螺旋通量。这种增长是由二次不稳定性驱动的大规模混合平衡的。饱和磁能密度几乎与典型涡流的垂直高度成线性关系。MRI可以驱动具有任意大的垂直波数的涡流，因此涡流厚度由扩散效应、由大尺度垂直场分量的磁张力或由磁浮力效应设定。在均匀，零磁通量，模拟只有第一个效果适用和发电机的饱和极限是由显式或数值扩散。确切的结果取决于数值的细节，但与以前的工作是一致的，包括声称饱和场能量作为气体压力的四分之一功率（我们解释为数值耗散的伪影）。随着模拟分辨率的增加，均匀剪切盒中的磁能密度将趋于零，但这对发电机或真实吸积盘中的角动量输运没有影响。饱和状态取决于磁普朗特数的说法也可能是模拟的人工制品，其中微物理传输系数设置MRI涡流厚度。最后，MRI发电机的效率是阿尔文速度与压力标度高度和局部剪切力的乘积之比的函数。当从下方接近统一时，发电机达到最大效率。
2009-02-05 astro-ph.HE astro-ph.SR
Rotational effects on the small-scale dynamo
本文通过直接数值模拟研究旋转对湍流中小尺度发电机的影响，发现慢旋转抑制其增长与饱和，超过阈值后大尺度涡旋增强之，且高雷诺数下磁能比仍受抑制达35%。
2025-02-24 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.flu-dyn
Statistical analysis of the mass-to-flux ratio in turbulent cores: effects of magnetic field reversals and dynamo amplification
我们研究了不同初始磁场强度下超声速磁流体动力学湍流模拟中团块和核心的质量通量比（M/Φ）。我们研究了核与包层的（M/Φ）比R =（M/Φ）_{core}/（M/Φ）_{envelope}是否可以用来区分双极扩散理论和双极控制的恒星形成理论。我们分析R的不同的视线（LoS）在我们的模拟箱的各个子立方体。我们发现，1）对于不同时间和初始磁场强度，|R|的平均值和中值通常较大，但接近于1，2）对于较小的磁场，|R|的平均值和中值在|R| ~ 1的平均值处饱和，3）|R|的值<1，因为包络中的小磁场是由场反转引起的，当湍流扭曲场线时，平均方向。最后，我们提出了两种机制，产生值|R| ~< 1的弱和强磁场限制的背景下的湍流模型。首先，在弱场极限下，小尺度湍流发电机导致了核中通量的显著增加，我们发现|R| ~< 1。第二，在强场极限中，包络中的场反转也导致值|R| ~< 1。在速度场更相干且内部速度弥散典型地为亚音速的核心区域中，不太可能发生这些反转。
2011-12-22 astro-ph.IM astro-ph.SR physics.data-an
Fluctuation dynamo amplified by intermittent shear bursts in convectively driven magnetohydrodynamic turbulence
间歇性的大规模高剪切流被发现经常发生，自发地在统计稳定的湍流Boussinesq磁流体动力学（MHD）对流的直接数值模拟。系统的能量稳定状态是由速度场的对流驱动和小尺度发电机作用维持的。具有强速度和磁剪切的流动结构的间歇性出现在比大尺度对流运动的特征时间更长的时间尺度上以升高的速率产生磁能。磁能放大的弹性表明，间歇性剪切爆发是一个重要的驱动器发电机行动在湍流磁对流。
2013-09-05 astro-ph.SR physics.comp-ph
Small-scale dynamo saturation across magnetic Prandtl numbers using the EDQNM closure
International Centre for Theoretical Sciences, Tata Institute of Fundamental Research（国际理论科学中心，塔塔基础研究所）；Inter-University Centre for Astronomy and Astrophysics（大学间天文学与天体物理中心）；Department of Physics, Ashoka University（阿肖卡大学物理系）
研究小尺度发电机饱和问题，通过分析和数值方法证明 EDQNM 闭合与运动学发电机模型等效，可扩展到多尺度湍流和非线性 regime，探索参数范围，给出不同磁普朗特数下渐近 regime 及相关比率。
2026-07-07 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.flu-dyn
Mach Number Dependence of Turbulent Magnetic Field Amplification: Solenoidal versus Compressive Flows
我们研究的增长率和饱和度的湍流发电机在磁流体动力学模拟的湍流，驱动螺线管（发散自由）或压缩（卷曲自由）迫使。对于马赫数范围从0.02到20的模型，我们发现明显不同的磁场几何形状、放大率和饱和水平，由于激波的发展，在从亚音速流到超音速流的过渡处强烈地降低。两种极端类型的湍流强迫都驱动发电机，但螺线管强迫更有效，因为它产生更多的涡度。
2011-09-08 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.comp-ph
Magnetic field amplification in accretion discs around the first stars: implications for the primordial IMF
磁场在现代分子云的动力学中起着重要的作用。最近的研究表明，磁场对形成宇宙中第一批恒星的原始云同样重要。虽然宇宙尺度上的原始磁场强度在很大程度上是不受约束的，但理论模型强烈表明，在早期宇宙中存在一个弱的种子场。我们研究了这样一个弱场的放大如何影响第一恒星周围吸积盘的演化，从而影响原始初始质量函数（IMF）。我们进行了一套三维理想磁流体动力学（MHD）模拟与不同的初始场强和数值分辨率。我们发现，在模拟具有足够的空间分辨率，以解决在崩溃的金斯尺度，即使最初弱磁场指数增长，成为动态的重要性，由于这两个所谓的“小规模的湍流发电机”和“大规模的平均场发电机”。捕捉小尺度的发电机动作主要取决于我们如何解决牛仔裤长度，而捕捉大尺度的发电机取决于牛仔裤分辨率以及最大绝对分辨率。提供足够的分辨率，我们发现，碎片并不强烈依赖于初始场强，因为即使是弱场增长成为强大的。然而，在有磁场的运行中的碎裂与没有磁场的运行中的碎裂显著不同。我们的结论是，在第一批恒星形成过程中，动态强磁场的发展可能是不可避免的，这些领域有一个显着的影响，原始IMF。
2021-02-22 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
Magnetic energy cascade in spherical geometry: I. The stellar convective dynamo case
我们提出了一种方法来表征模拟恒星对流发电机的尺度之间的磁能的光谱转移。基于Clebsch-Gordan系数的球谐函数的解析耦合关系，计算了完整的三阶传递函数。该方法被应用到平均场$αΩ$发电机模型作为基准测试。从物理观点来看，发电机场分解成主发电机族和次发电机族在$αΩ$情况下证明是非常有指导意义的。同样的方法，然后应用到一个完全湍流发电机在太阳能对流区，建模与三维MHD ASH代码。的磁能谱的初始增长被证明是非本地的。它主要再现中尺度对流的动能谱。在饱和阶段，两种直接的磁能级联被观察到的区域包括在模拟中涉及的最小尺度。第一个级联是通过大尺度差动旋转对磁场的剪切而获得的，该差动旋转有效地级联了磁能。第二个是一个广义的级联，涉及到一系列的本地磁和速度尺度。非本地转移似乎很重要，因此净转移不能被简化为一小部分模式的动态。详细讨论了大尺度轴对称偶极子和四极子的饱和问题。特别是，偶极饱和的非本地相互作用，涉及最具活力的规模的磁能谱，这指出了重要性的磁普朗特数的大型发电机。
2013-01-08 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Turbulence and Dynamo Interlinks
湍流在天体物理环境中的作用及其与磁场的相互作用仍然存在很大争议。在这个讲座中，我们将在发电机过程的框架中讨论这个问题。我们将首先介绍一个非常简短的总结湍流发电机理论，然后将集中在小尺度湍流发电机和它们的特殊相关性的起源和维持的磁场在星系团内介质（ICM）的星系。在这些环境中，非常低密度的流动需要无碰撞MHD处理。我们将展示这种方法在这些环境中的磁场的湍流放大的影响。最后，我们还将简要地讨论MHD湍流和快速磁重联之间的联系及其在发电机过程中磁通量扩散的可能影响。
2013-01-25 astro-ph.HE astro-ph.SR
Small-scale dynamo action in rotating compressible convection
我们研究发电机行动在对流层的导电，可压缩流体，旋转的垂直轴。在上、下边界面上，磁场采用理想导电边界条件。两个不同层次的热分层被认为是。如果磁扩散率足够小，对流就像一个小型发电机。使用定义的磁雷诺数$R_M$是基于水平积分尺度和水平平均速度在中层的域，我们发现，旋转倾向于减少$R_M$的临界值以上的发电机行动观察。在旋转计算中，增加层内的热分层水平不会显著改变$R_M$的临界值，但它确实会导致非旋转情况下该临界值的降低。在磁雷诺数的最高可计算值处，发电机的饱和水平在所有情况下都是相似的，平均磁能密度在平均动能密度的4%和9%之间。为了进一步了解旋转和非旋转对流之间的差异，我们量化的拉伸性能的每个流通过测量李雅普诺夫指数。在远离边界的地方，由于流动而引起的拉伸率在旋转情况下比在相应的非旋转计算中对深度的依赖要小得多。它还表明，旋转的影响显着降低的磁能量耗散在层的下部。我们还研究了发电机的饱和机制的某些方面。
2011-10-03 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Small-scale dynamos in simulations of stratified turbulent convection
小规模的发电机行动往往被认为是造成宁静的太阳磁场。我们的目的是确定在非旋转湍流对流在低磁普朗特数的小规模发电机的激励条件和饱和水平。我们使用高分辨率的直接数值模拟弱分层湍流对流。我们发现，发电机激励的临界磁雷诺数增加的磁普朗特数减少，这可能表明，小规模的发电机行动是不自动明显的机构与小磁普朗特数的太阳。作为磁雷诺数（${\rm Rm}$）的函数，发电机的增长率是一致的${\rm Rm}^{1/2}$缩放。未发现${\rm Rm}$的生长速率对数增加的证据。
2018-02-26 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Lagrangian statistics of a shock-driven turbulent dynamo in decaying turbulence
在超新星激波和星系团中观测到$n$ G级的小尺度波动磁场，其放大可能是由比尔曼电池机制引起的。然而，如果没有湍流发电机，这些磁场就不能进一步放大，湍流发电机通过拉伸-扭曲-折叠（STF）机制产生磁能。因此，我们在这里提出了新的三维磁流体动力学（MHD）模拟的激光驱动的冲击波传播到分层，多相介质，调查后冲击波湍流磁场放大通过湍流发电机。这里使用的配置目前正在国家点火装置（NIF）的激波风洞中进行测试。为了探索激波后湍流区的统计特性，我们使用$384 \times 512 \times 384$示踪剂通过拉格朗日框架跟踪其演变，从而提供了一个高保真的分析冲击介质。我们的模拟表明，磁场的增长，伴随着近萨夫曼动能衰减（$E_{\textrm{kin}} \propto t^{-1.15})$没有湍流驱动，表现出略有不同的特性相比，周期性的盒子模拟。在其演化过程中似乎不存在明显的阶段，因为在湍流衰减过程中观察到磁场放大的激波通道和时间非常短（湍流翻转时间的$\sim\!0.3$）。然而，增长率仍然是一致的压缩（无卷曲）湍流驱动亚音速，可压缩湍流的预期。唯象理解的磁场和速度场的动态也阐明通过拉格朗日频谱，这是一致的预期的惯性范围缩放的欧拉-拉格朗日桥。
2023-02-16 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
Magnetic dynamo action at low magnetic Prandtl numbers
本文研究了小磁普朗特数区域中运动学湍流发电机作用对磁场的放大作用。这样的制度是相关的行星和恒星内部，以及液态金属实验室实验。Kazantsev Kraichnan模型的基础上，建立发电机阈值和发电机增长率的湍流波动的不同动力学螺旋度的全面分析。有人建议，在对比的情况下，大磁普朗特数，在小磁普朗特数的运动发电机行动的显着影响的动力学螺旋度，它可以是相当有效的螺旋度谱的适当选择。
2010-10-31 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
A unified large/small-scale dynamo in helical turbulence
我们使用高分辨率的直接数值模拟（DNS）表明，螺旋湍流可以产生显着的大规模领域，即使在存在强大的小规模发电机行动。在运动学阶段，统一的大/小尺度发电机增长领域的形状不变的本征函数，与大多数功率峰值在小尺度或大$k$，如在\citet{SB14}。然而，大规模的领域可以清楚地检测到在小$k$的能量谱的负极化分量与正极化波的强迫作为一个多余的功率。其强度$bar{B}$（相对于总均方根场$B_{rms}$）随着磁雷诺数$R_m$的增加而减小。然而，随着洛仑兹力变得重要，统一发电机产生的场通过在连续更大的尺度上饱和而有序化。表征小尺度场的正极化波的磁积分尺度从运动学阶段到饱和显著增加。这意味着小尺度场在给定的强迫尺度下变得尽可能相干，从而避免了$\bar{B}/B_rms$的$R_m$依赖性猝灭。这些结果是对磁性普朗特数为$P_m=0.1$和$10$的$1024^3$ DNS得到的。对于$P_m=0.1$，$\bar{B}/B_{rms}$在饱和时从大约$0.04$增长到大约$0.4$，在最后阶段由螺旋度耗散辅助。对于$P_m=10$，$\bar{B}/B_{rms}$从远小于0.01增长到$0.2$量级的值。我们的结果证实了螺旋湍流中存在统一的大/小尺度发电机。
2016-06-16 astro-ph.GA astro-ph.SR
MRI-driven $αΩ$ dynamo at high Pm numbers
本研究通过分层剪切盒模拟和新技术计算发电机系数，探讨了高磁普朗特数区间下 MRI 驱动的 $αΩ$ 发电机机制，发现平均磁场及发电机系数随 Pm 增加而增强，使发电机周期缩短、增长率加快，预测磁场放大应至少增加约 5 倍。
2025-01-09 astro-ph.HE astro-ph.SR
A new scenario for magnetar formation: Tayler-Spruit dynamo in a proto-neutron star spun up by fallback
磁星是孤立的年轻中子星，其特征是宇宙中已知的最强磁场。它们的磁场的起源仍然是一个具有挑战性的问题。发电机作用的原位磁场放大是在快速旋转的祖细胞中产生超强磁场的一个很有前途的过程。然而，目前还不清楚是否拥有快速核心旋转的祖先的分数足以解释整个磁星人口。为了解决这一点，我们提出了一个新的磁星形成的方案，其中一个缓慢旋转的原中子星旋转的超新星回落。我们认为，这可能会引发泰勒-斯普鲁特发电机的发展，而其他发电机过程是不受欢迎的。使用以前的工作，这个发电机和模拟的特点回落，我们推导出方程模型的耦合演化的原中子星旋转和磁场。他们的时间积分不同的后备群众成功地比较分析估计的放大时间尺度和饱和值的磁场。我们发现，在核心反弹后的$20$到$40$ s内的磁场被放大，并且径向磁场在强度$10^{14}-10^{15}$ G处饱和，因此跨越磁星的偶极磁场的全部范围。我们还比较了两个建议的饱和机制的预测表明，类磁星的磁场可以产生的中子星旋转到旋转周期$\lesssim8$ ms和$\lesssim28$ ms，对应于回退群众$\gtrsim4\times10^{-2}{\rm M}_{\odot}$和$\gtrsim10^{-2}{\rm M}_{\odot}$。因此，我们的研究结果表明，磁星可以形成从慢旋转的祖先兼容最近的超新星模拟的后备群众，并导致合理的初始旋转周期的原中子星。
2022-10-19 astro-ph.HE astro-ph.SR
Magnetic field amplification in turbulent astrophysical plasmas
磁场在天体物理吸积盘、星际和星系间介质中起着重要作用。它们驱动喷流，抑制恒星形成云中的碎片，并对恒星的吸积率产生重大影响。然而，宇宙磁场的确切放大机制仍然知之甚少。在这里，我首先回顾了最近的进展，在数值和理论建模的“湍流发电机”，这可能会解释银河系和星系间磁场的起源。虽然发电机行动以前非常详细地研究了不可压缩等离子体，我在这里特别强调高度可压缩的天体物理等离子体，其特点是强烈的密度波动和冲击，如星际介质。我发现，发电机行动的作品不仅在亚音速等离子体，但也在高度超音速，可压缩等离子体，以及低和高磁普朗特数。我进一步提出了新的数值模拟，从我确定的湍流（无序）磁场分量（$B_\mathrm{turb}$）的存在下，弱和强的引导字段（$B_0$）的增长。我改变$B_0$超过5个数量级，发现$B_\mathrm{turb}$对$B_0$的依赖性相对较弱，可以用一个简单的理论模型来解释，在这个模型中，湍流提供了放大$B_\mathrm{turb}$的能量。最后，我讨论了磁场对吸积盘结构、喷流发射和星际云恒星形成率的一些重要影响。
2016-11-22 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.flu-dyn
MRI-driven $α-Ω$ dynamos in protoneutron stars
磁星是一种高度磁化的中子星，可以产生X射线和软伽马射线辐射，其偶极子为$10^{14}$ G到$10^{15}$ G。快速旋转的质子中子星（PNS）的磁共振成像（MRI）对磁场的放大是解释磁星形成的一个很有前途的机制。最近的全球模型支持这种情况，表明小尺度湍流可以产生具有磁星强度的偶极子。然而，浮力和密度分层对MRI产生偶极子的效率的影响仍然是未知的。我们评估的密度和熵的配置文件的MRI发电机在一个全球性的快速旋转的PNS模型，它侧重于其外部分层区域，是稳定的对流的影响。使用伪谱码MagIC，我们进行了三维Boussinesq和滞弹性MHD模拟在球形几何与显式扩散。我们进行了参数研究，在其中我们调查不同的近似和热扩散的效果。我们得到一个自我维持的湍流MRI驱动发电机。这证实了我们以前的大部分不可压缩的结果，一旦密度重新缩放。MRI还产生非主导赤道偶极子，其代表平均磁场强度的约4.3%。有趣的是，在存在密度梯度的情况下，轴对称磁场在大尺度下随时间振荡，这可以被描述为平均场$αΩ$发电机。浮力在赤道平面中抑制湍流，但总体上具有相对较弱的影响，具有实际的高热扩散。我们的研究结果支持MRI产生类磁铁大规模磁场的能力。他们还预测了质子中子星中存在一个$αΩ$发电机，这对模拟核心坍缩超新星中的原位磁场放大可能很重要。[删节]
2022-09-21 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.flu-dyn
Helical dynamo growth at modest versus extreme magnetic Reynolds numbers
了解天体中大尺度磁场的增长是一个持续的挑战。我们解决了长期存在的问题，有多少螺旋大规模发电机增长发生独立的磁雷诺数（Rm）在一个封闭的体积。从适度的Rm数值模拟，我们确定了一个预饱和制度时，大规模的字段增长独立的Rm，但一个Rm依赖的幅度。然而，对于合理的磁谱，分析预测震级与Rm无关，并且实质上为Rm $\to\infty$。这使人们对封闭发电机的相关性重新感到乐观，并指出适度的Rm和超扩散模拟如何导致对Rm $\to\infty$行为的误解。
2023-03-10 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
A study of large scale dynamo growth rates from numerical simulations and implications for mean field theories
了解磁流体力学极限下湍流等离子体中大尺度磁场的增长是磁发电机理论的一个目标。特别是，评估如何以及大规模的螺旋场的增长和饱和度的模拟匹配，预测现有的理论是很重要的进展。使用数值模拟各向同性强迫湍流没有大尺度剪切的影响，我们专注于这种比较的几个方面，以前没有测试：（1）将场分为大尺度和小尺度的主要平均场发电机理论预测，大尺度螺旋场的增长率由动力螺旋度和电流螺旋度之间的差异决定，与非螺旋度无关。小尺度磁场中的螺旋能量。我们的模拟表明，从完全螺旋强迫的大尺度场的增长率确实是不受存在或不存在的前体非螺旋发电机放大的小尺度磁场。然而，由于在我们的模拟中，前体非螺旋发电机产生的场相对于动能是强烈次均分的，我们还不能排除更强的非螺旋小尺度场的潜在影响。(2)我们已经确定了两个功能，在我们的模拟中，不能解释的最低限度的版本的两个尺度平均场论：（一）完全螺旋小尺度强迫产生显着的非螺旋大尺度磁能和（ii）的饱和度的大尺度磁场的增长是时间延迟相对于最低限度的理论预测。我们评论理想的概括理论在这种情况下，未来所需的工作。
2013-05-13 astro-ph.EP astro-ph.IM astro-ph.SR
Study of Dynamo Action in Three Dimensional Magnetohydrodynamic Plasma with Arnold-Beltrami-Childress Flow
研究了三维磁流体动力学（MHD）等离子体中以ABC流为初始条件的发电机作用。该研究描绘了从相干非线性振荡到发电机过渡的关键参数。此外，在磁普朗特数等于单位的动力学和动力学模型的发电机行动的驱动ABC流进行了研究。磁电阻率选择在发生快速发电机的值处，并且生长速率不随磁电阻率的变化而进一步变化。磁能增长的指数增加，表明一个更快的发电机，如果一个较高的波数相比，一个较低的波数被激发。这个结果对于运动学的和外力的动力发电机都是适用的，其中磁场对速度场的反作用不再是可以忽略的。在一个受外力的动态发电机的情况下，超阿尔文流已被发现激发强大的发电机引起的磁能增长的7个数量级。磁场通过洛伦兹力项对速度场的反作用影响了速度场的动力学特性，进而影响了磁场的动力学特性，当发电机作用非常显著时，会导致磁场饱和。
2019-01-28 astro-ph.SR physics.comp-ph physics.flu-dyn
