Plasmoid Instability in High-Lundquist-Number Magnetic Reconnection
近年来,我们对电阻磁流体力学中磁重联的认识发生了根本性的变化。传统观点认为,在层流高伦德奎斯特($S$)等离子体中,由电阻率介导的磁重联是缓慢的,受到Sweet-Parker理论预测的重联率的缩放的限制。然而,最近的研究表明,当$S$超过一个临界值$\sim10^{4}$时,Sweet-Parker电流片不稳定到超阿尔夫文等离子体团不稳定性,线性增长率与$S^{1/4}$成比例。在充分发展的统计稳态的二维电阻磁流体动力学模拟,归一化的平均重联率约为0.01,几乎独立于$S$,和分布函数$f(ψ)$的等离子体磁通量$ψ$遵循幂律$f(ψ)\simψ^{-1}$。当包含霍尔效应时,等离子体团不稳定性可能触发霍尔重联的发生,即使不满足传统的发生判据。丰富多样的可能的重联动力学组织在一个相图的框架。
2013-02-08 astro-ph.SR physics.geo-ph physics.plasm-ph
Plasmoid instability in the semi-collisional regime
我们调查分析和数值计算的半碰撞制度的等离子体团不稳定性,定义的不等式$δ_{SP} \gg ρ_s \gg δ_{in}$,其中$δ_{SP}$是斯威特帕克电流片的宽度,$ρ_S$是离子的声音拉莫尔半径,和$δ_{in}$是边界层的宽度,出现在等离子体团不稳定性分析。理论上,如果伦德奎斯特数$S$和当前片$L$的长度使得$(L/ρ_S)^{14/9} < S <(L/ρ_S)^2$(对于类正弦磁位形;对于哈里斯型片,下限用$(L/ρ_S)^{8/5}$代替),则预测存在该区域。这些界限通过使用简化的陀螺动力学模型(Zocco & Schekochihin,$\it{Physics~of~Plasmas}$,${\bf 18}$,2011)的模拟进行数值验证,该模型使用代码$\tt{Viriato}$进行。重要的是,据推测,这种机制允许在相对较低的、实验上可以达到的伦德奎斯特数值下形成等离子体团。我们的模拟获得等离子体团不稳定的$S$值低至$\sim 250$。模拟不规定的Sweet-Parker片,而是形成自洽的初始撕裂模式配置的非线性演化过程中。这证明了等离子体团不稳定性的这种状态是可实现的,至少在当前专用实验可获得的相对较低的Lundquist数值下。
2018-09-27 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
How to describe the Sweet-Parker model in general relativity
本文探讨了广义相对论框架下 Sweet-Parker 磁重联模型的描述,通过对比狭义相对论计算提出时空曲率不改变模型性质,但不同静止参考系的观测会修正重联率与 Lundquist 数及外流速度与 Alfven 速度的关系。
2024-09-25 astro-ph.HE gr-qc physics.plasm-ph
Turbulent Magnetohydrodynamic Reconnection Mediated by the Plasmoid Instability
已经确定,在高伦德奎斯特数重联的Sweet-Parker电流层是不稳定的超Alfvénic等离子体团不稳定性。过去的二维磁流体动力学模拟表明,等离子体团不稳定性导致一个新的制度,Sweet-Parker电流层的变化,成为一个链的等离子体团连接的次级电流片,和平均重联率变得几乎独立的Lundquist数。在这项工作中,三维模拟与指导领域表明,额外的自由度允许等离子体团不稳定性增长的斜角,相互作用,导致自生湍流重联。自生湍流状态下的平均重联率是特征阿尔文速度的百分之一,这与二维结果相似,但比最近外部驱动三维湍流重联研究中报道的最快重联率低一个数量级。运动能和磁能涨落都沿局部磁场方向形成细长的涡旋,这是各向异性磁流体动力学湍流的特征。这两种能量波动在惯性范围内满足幂律谱,其中磁能谱指数在从$-2.3$到$-2.1$的范围内,而动能谱指数稍微陡峭,在从$-2.5$到$-2.3$的范围内。湍流涡旋的各向异性被发现是几乎与尺度无关的,在由均匀磁场渗透的均匀等离子体中的各向异性湍流的Goldreich-Sridhar理论的预测相反。
2015-12-04 physics.plasm-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
Plasmoid Instability in Forming Current Sheets
等离子体团不稳定性的出现彻底改变了我们对天体物理环境中磁重联的认识。通过防止高度拉长的重连层的形成,这对于实现许多天体物理现象所特有的快速能量转换率至关重要。以前的研究大多集中在Sweet-Parker电流片上,然而,这在典型的天体物理系统中是无法实现的。在这里,我们推导出一套一般的标度律的等离子体团不稳定性的电阻和粘阻电流片,随着时间的推移而演变。我们的方法依赖于一个原则,最少的时间,使我们能够确定的属性的重连电流片(纵横比和经过的时间)和等离子体团不稳定性(增长率,波数,内层宽度)在结束时的线性阶段。在这个阶段之后,重新连接的电流片被中断,并且可以发生快速重新连接。等离子体团不稳定性的标度律是\emph{not}简单的幂律,并依赖于Lundquist数($S$)、磁Prandt数($P_m$)、系统噪声($ψ_0$)、电流片演化的特征速率($1/τ$)以及减薄过程.我们还表明,以前的标度是不适用于绝大多数的天体物理系统。我们探讨了在天体物理系统,如太阳日冕和星际介质的新的标度关系的影响。在这两个系统中,我们表明,我们的标度律产生的值的增长率,波数和纵横比,是远远小于甜帕克的缩放。
2017-07-06 astro-ph.CO astro-ph.HE astro-ph.SR
Plasmoids formation during simulations of coaxial helicity injection in the National Spherical Torus Experiment
在没有任何预先存在的不稳定性的情况下,通过模拟在大规模环形聚变等离子体中首次预测了细长的Sweet-Parker电流片的形成和向等离子体团不稳定性的转变。通过对美国国家球形环实验(NSTX)中的瞬态同轴螺旋注入(CHI)实验的电阻MHD模拟,证实了等离子体团不稳定性,并与理论一致地观察到了等离子体团不稳定性的基本特征,包括快速重联率。受模拟的启发,实验相机图像已被重新访问,并建议在NSTX中存在重新连接的等离子体团。这里观察到的全球系统大小的等离子体团形成也应该对天体物理学的重连有很强的影响,例如快速爆发的太阳事件。
2022-03-30 physics.plasm-ph physics.space-ph
On Turbulent Reconnection
通过计算小尺度涨落与大尺度磁场耦合的有效耗散,研究了二维和三维约化MHD中湍流重联的动力学。然后使用Sweet-Parker型平衡关系来计算全局重连率。采用两种方法-准线性封闭和涡阻尼流体模型。结果表明,尽管存在湍流,重连率仍然与$\sqrt{R_m}$成反比,如Sweet-Parker分析。在2D中,全球重联率被证明是增强的Sweet-Parker结果的磁马赫数的一个因素。这些结果是由均方磁势平衡的要求对全球重联率施加的约束的后果。论证了湍流磁能量均分与均方磁位平稳性的不相容性。
2001-01-10 astro-ph physics.plasm-ph
Magnetic reconnection, plasmoids and numerical resolution
本文通过高分辨率数值模拟表明 plasmoid instability 对数值分辨率高度敏感,在充分分辨条件下即使高 Lundquist 数也不出现,从而质疑其作为快速磁重联机制的解释。
2024-06-13 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Plasmoid Instability in Evolving Current Sheets and Onset of Fast Reconnection
斯威特-帕克电流片$γ_{max}\sim S^{1/4}$中等离子体团不稳定性最大线性增长率相对于伦德奎斯特数$S$的缩放表明,在高$S$下,电流片将在接近斯威特-帕克宽度之前破裂。因此,对等离子体团不稳定性的描述必须结合电流片的演化过程。我们进行了一系列的二维模拟和诊断,以分离波动从不断变化的背景。据发现,波动幅度开始增长,只有当线性增长率足够大($γ_{max}τ_{A}>O(1)$),以克服对流损失。线性增长率继续上升,直到等离子体团的大小变得与撕裂模式的内层宽度相当。此时,电流片被破坏,不稳定性进入早期非线性区域。增长率突然下降,但波动幅度继续增长,直到达到非线性饱和。我们确定了重要的时间尺度的不稳定发展,以及缩放的线性增长率,电流片宽度,并在电流片中断占主导地位的波数。这些缩放不仅取决于伦德奎斯特数,而且还取决于初始噪声幅度。提出了一种唯象模型,再现模拟结果的缩放。该模型采用了重连流出的效果,这是至关重要的产生一个临界伦德奎斯特数$S_{c}$以下的中断不会发生。临界伦德奎斯特数$S_{c}$不是恒定值,但对噪声幅度具有弱依赖性。
2017-10-03 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.flu-dyn
High Lundquist Number Resistive MHD Simulations of Magnetic Reconnection: Searching for Secondary Island Formation
最近,由于Sweet-Parker电流片的撕裂不稳定性而形成的次级岛被认为是导致快速重联的可能机制(对Lundquist数$S$的敏感性较低),使用粒子单元(PIC)方法[Daughton等人,2009]以及使用电阻磁流体动力学(MHD)[Lapenta 2008; Bhattacharjee等人,2009年]。当$S$大于某个阈值时,认为会出现这种不稳定性。这些最新的结果促使我们进行更多的电阻MHD模拟的基础上的岛屿合并不稳定性的基本重联配置,使用更高的分辨率和更大的$S$。我们的模拟是基于一个相当标准的伪谱码,已经测试了准确性,收敛性,并与使用其他方法的代码进行了比较[Ng et al. 2008]。在我们的模拟中,没有发现等离子体团的形成,除了当分辨率不足时,或者当外部添加少量噪声时。重新连接率被发现遵循的Sweet-Parker缩放时,没有噪音被添加,但增加到一个独立的$S$与噪音的水平,当等离子体团的形式。将介绍$S$至$2 \times 10^5$的最新结果。
2011-06-02 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
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
Comparison of secondary islands in collisional reconnection to Hall reconnection
大规模电阻霍尔磁流体动力学(Hall-MHD)模拟从Sweet-Parker(碰撞)到霍尔(无碰撞)磁重联的过渡,第一次从无碰撞效应中分离二次岛的影响。三个主要结果进行了说明。存在一种制度,其中二次岛发生无碰撞效应时,耗散区的厚度超过离子陀螺仪。次级岛的重联速率比Sweet-Parker快,但比Hall重联慢得多。这意味着次级岛屿不是最快重连率的原因。由于霍尔重联快得多,它的发生会导致次级岛从X线附近喷出。这些结果表明,大部分的能量释放发生在霍尔重联。日冕的应用进行了讨论。
2010-06-10 physics.plasm-ph physics.space-ph
FINMHD: an adaptive finite element code for magnetic reconnection and plasmoid chains formation in Magnetohydrodynamics
解决快速爆发事件的问题,在磁性占主导地位的天体物理等离子体需要使用特别适合的数值工具。事实上,基于磁重联的中心机制是由一个复杂的行为与准奇异形成的电流层丰富的相关的小尺度磁岛称为等离子体团。本文提出了一种求解二维耗散磁流体动力学方程的新程序。一个不可压缩的模型的电流涡度制定代表选择,以遵循的电流片的形成和随后的磁重联过程。在非结构网格上采用二次基函数三角形有限元离散,并通过高度自适应的特征- Galerkin格式实现。简化的测试方程,并最终为磁重联相关的两个排斥电流通道之间的倾斜不稳定性的非线性发展的代码的适应性说明。改变伦德奎斯特数S,可以研究稳态Sweet-Parker重联状态(S < 10^4)和等离子体团主导重联状态(S > 10^5)之间的转变。解释在天体物理环境中,如在太阳日冕中的自由磁能的快速转换的机制的理解的影响进行了简要的讨论。
2019-06-03 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Magnetic Prandtl number dependence of plasmoid-mediated reconnection
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);Nordita, KTH Royal Institute of Technology and Stockholm University(诺迪塔,皇家理工学院和斯德哥尔摩大学);The Oskar Klein Centre, Department of Astronomy, Stockholm University(奥斯卡·克莱因中心,天文学系,斯德哥尔摩大学);McWilliams Center for Cosmology & Department of Physics, Carnegie Mellon University(麦克威廉斯宇宙学中心与物理系,卡内基梅隆大学);School of Natural Sciences and Medicine, Ilia State University(自然科学与医学院,伊利亚州立大学)
本文通过二维磁流体动力学模拟研究了等离子体团介导的磁重联速率对磁普朗特数的依赖性,发现当朗金数低于等离子体不稳定性起始点时,重联速率遵循预期的Sweet-Parker尺度并随磁普朗特数增加而降低,但一旦电流片变得等离子体不稳定,磁普朗特数的影响显著减弱,在完全等离子体团介导的 regime 中,重联速率在所探索的参数范围内几乎不依赖于磁普朗特数。
2026-08-18 astro-ph.HE physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Dynamic evolution of current sheets, ideal tearing, plasmoid formation and generalized fractal reconnection scaling relations
磁重联可能是使储存在磁场中的能量突然释放的基本过程,太阳耀斑和日冕物质抛射(CME)是典型的自然等离子体例子。磁重联是一个太慢的过程,在大尺度上是有效的,但一旦在系统中形成足够小的尺度,就会加速。由于这个原因,分形重联方案被引入(Shibata和Tanuma 2001)来解释太阳大气中的爆炸事件:它是基于递归触发和崩溃,通过撕裂不稳定性的电流片最初在日冕中的灯丝上升期间变薄。在这里,我们比较了不同的分形重联的情况下,已经提出,并推导出广义的递归触发的快速,“理想”-即伦德奎斯特数独立-撕裂崩溃的电流片配置与任意电流剖面形状。一个重要的结果是,Sweet-Parker标度与Lundquist数,如果解释为一个理想的不稳定片中的奇异层的纵横比,是通用的,并不依赖于当前的配置文件中的表的细节。然而,这样的缩放不能被解释为静止重连,而是它定义了一个步骤,在加速序列的事件的理想撕裂介导的分形级联。我们计算缩放等离子体团的预期数量为通用配置文件和现实的伦德奎斯特数。
2019-03-22 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Current Sheet Statistics in Three-Dimensional Simulations of Coronal Heating
在最近的数值研究中[Ng等人,占星术。J. { \bf 747},109,2012],利用使用简化磁流体动力学(RMHD)的日冕加热的三维模型,我们已经基于一系列运行获得了加热速率与伦德奎斯特数的缩放结果,在这些运行中,随机光球运动被施加数百到数千个\al时间,以便获得收敛的统计值。在这些模拟中发现的加热速率饱和到独立于Lundquist数的水平。该缩放结果也得到了分析的支持,该分析假设了当前片的Sweet-Parker缩放,以及当前片的宽度、长度和数量如何与Lundquist数缩放。为了测试这些假设,我们已经实现了一个自动化的例程来分析这些模拟中的数千个电流表,并返回这些量的统计标度。结果表明,Sweet-Parker标度是合理的。然而,也发现了一些差异,需要进一步研究。
2013-02-01 astro-ph.SR physics.comp-ph physics.plasm-ph
Magnetic reconnection: Self-similar current sheet collapse triggered by "ideal" tearing
利用MHD模拟方法研究了在高Lundquist数($S\gg10^4$)下坍缩电流片中通过“理想”撕裂模的快速重联的发生和演化。我们首先确认,随着崩溃的进行,快速重联被触发之前,Sweet-Parker型配置可以形成:在线性阶段等离子体团迅速增长的几个阿尔文倍时,预测的“理想”撕裂阈值$S^{-1/3}$接近从上面;线性阶段后,初始不稳定性,X点崩溃和重组非线性。我们发现,这些引起的撕裂事件的层次结构重复越来越快,在越来越小的尺度上的电流片,对应于触发的“理想”撕裂在重整化伦德奎斯特数。在电阻性磁流体动力学中,这一过程应以微观尺度下亚临界($S \leq10^4$)Sweet Parker片的形成而结束。我们提出了一个简单的模型描述的非线性递归演化,解释了初始片的破坏的时间尺度。
2015-10-22 physics.plasm-ph
Current sheet formation under radiative cooling
Plasma Science and Fusion Center, Massachusetts Institute of Technology(麻省理工学院等离子体科学与聚变中心)
本文提出了一种考虑辐射冷却的磁流体动力学模型,研究了X点塌缩过程中电流片的形成,并展示了辐射冷却对电流片长度和再连接率的影响。
2025-08-18 astro-ph.HE physics.plasm-ph
"Ideally" unstable current sheets and the triggering of fast magnetic reconnection
磁重联被认为是在空间和实验室中观察到的许多爆炸现象的动力学机制,尽管在如此高的Lundquist($S$)数等离子体中触发磁重联的速度有多快的问题仍然是难以捉摸的。已经确定的是,一旦达到动力学尺度,重连可以比传统预测的更快地发展。它也已被证明,在电阻磁流体力学(MHD)的框架内,快速重联实现足够薄的片材通过所谓的等离子体团不稳定性的发病。后者是在专门研究斯威特-帕克电流片的研究中发现的,无论是作为初始条件还是在非线性研究中发展的明显瞬态。另一方面,快速撕裂不稳定性可以在理想情况下增长,即,$S$ -独立的,时间尺度(被称为“理想”撕裂)在当前片的纵横比尺度与宏观伦德奎斯特数为$L/a\sim S^{1/3}$ -比斯威特帕克一个小得多-提出了一种新的方法来接近崩溃的电流配置中的快速重联的启动。在这里,我们提出了一个概述,我们所谓的“理想”撕裂电阻MHD,并讨论如何同样的推理可以扩展到其他常用的等离子体模型,包括电子惯性和动力学效应。然后,我们讨论了一个方案的发病“理想”的快速重联通过崩溃的电流片,并描述了一个定量模型的非线性演化的解释“理想”的不稳定片在两个维度。
2016-09-19 astro-ph.SR physics.plasm-ph
On turbulent magnetic reconnection: fast and slow mean steady-states
本文研究了湍流磁重联模型,证明Sweet-Parker和Petschek是仅有的两种稳态重联解,并揭示了湍流能量增长条件对二者选取的决定性作用,指出模型中Petschek重联的自洽演化可实现无需无碰撞项的快速稳态磁重联。
2024-12-19 physics.plasm-ph
A new fast reconnection model in a collisionless regime
基于第一原则(即(i)用广义欧姆定律中包含电子压力张量非回旋分量的项来平衡磁场平流;(ii)利用质量守恒;以及(iii)假设弱磁场区域宽度,其中电子弯曲运动支持电子压力张量非对角(非回旋)分量的数量级为电子拉莫尔半径),建立了无碰撞区磁重联的一个简单模型。该模型是通用的,类似于其碰撞Sweet-Parker模拟,因为它不特定于任何初始配置,例如Harris型撕裂不稳定电流片,X点崩溃或其他。无碰撞重联模型除了从基本观点来看很重要之外,它还提供了比斯威特-帕克经典模型(M_sp=S^-1/2)快得多的重联速率(M_c 'less =(c/omega_pe)^2 /(r_L,e L))。在无碰撞区,扩散区(电流片)的宽度为delta_c 'less =(c/omega_pe)^2/r_L,e,它与整体重联尺度L无关,只由微观物理(电子惯性长度c/omega_pe和电子拉莫尔半径r_L,e)决定。在其他问题中,重联率的快速性使例如通过重联解释太阳耀斑的问题变得复杂,因为对于典型的日冕参数,所获得的无碰撞重联时间可以是几分钟,而不是Sweet-Parker的等效值<一天。将新的理论重连率与MRX装置实验数据进行比较[Yamada等人,Phys. Plasmas,13,052119(2006),Ji等人GRL,35,13106(2008)],并且获得了良好的一致性。
2008-10-31 astro-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
Do plasmoids induce fast magnetic reconnection in well-resolved current sheets in 2D MHD simulations?
Universidade de São Paulo(圣保罗大学);University of Wisconsin(威斯康星大学)
研究通过高分辨率二维MHD模拟探讨撕裂模不稳定性的发展,发现当磁流体动力学数S大于等于10^3且小于等于5×10^5时,磁重联速率遵循Sweet-Parker尺度,但随着S增大,反磁流体形成导致重联速率略有增强,表明重联仍受电阻率影响。
2026-03-24 astro-ph.HE hep-th physics.plasm-ph
Spectral Evolution and Current Sheet Analysis as Probes of Reconnection-Mediated Decay in Magnetically Dominated Turbulence
International Center for Theoretical Sciences ICTS-TIFR, Bengaluru, India(国际理论科学中心)
研究通过磁重联模型揭示磁主导湍流中磁能衰减与逆向传输的机制,表明局部伦琴数影响衰减特性。
2026-01-25 astro-ph.HE physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Magnetic Reconnection in Turbulent Diluted Plasmas
本文用双流体理论研究了湍流等离子体中的磁重联事件。通过识别扩散区域,我们测量的重联率的电导率和电流片厚度的函数。我们已经发现,重联率的规模作为电流片的厚度的倒数的平方,是独立的扩散区域的纵横比,在其他分析,例如,甜帕克和Petscheck,和数值模型。此外,虽然重连率也与电导率的平方倒数成比例,但扩散区域的纵横比(其表现出$0.1-0.9$范围内的值)与后者不相关。我们的研究结果提出了一个新的磁重联率的表达式,经过实验验证,可以提供一个进一步了解的磁重联过程。
2017-03-03 astro-ph.SR physics.comp-ph 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
Non-linear Tearing of 3D Null Point Current Sheets
磁重联的速率与伦德奎斯特数在现实的三维(3D)几何形状的比例的方式仍然是一个未解决的问题。它已被证明,在2D快速非线性撕裂允许的重联率变得几乎独立的伦德奎斯特数(“等离子体团不稳定性”)。在这里,我们提出了一个类似的不稳定性在一个完整的3D几何形状,由一个磁零点定义的第一次研究。的3D零电流层被发现是容易受到类似的不稳定性,但比一个等效的2D斯威特-帕克-类层稍微更稳定。撕裂的片创建一个薄的边界层周围的分界线表面,包含在一个双曲线结构,模仿脊柱风扇拓扑的通量包络。当撕裂过程中产生的磁通绳结构在这个包络内演化时,两个拓扑域之间的磁通有效混合发生。这导致两个域之间的重连率大幅增加。
2014-06-06 physics.plasm-ph
Fast Reconnection in High-Lundquist-Number Plasmas Due to Secondary Tearing Instabilities
大尺寸系统中的薄电流片超过临界值的Lundquist数是不稳定的超Alfvenic撕裂不稳定性。增长最快的不稳定性的增长率相对于伦德奎斯特数的缩放示出遵循从经典的撕裂模式的色散关系。由于这种不稳定性,该系统实现了一个非线性的重连率,似乎是弱依赖于Lundquist数,并大于Sweet-Parker率的数量级(对于考虑的Lundquist数的范围)。这种快速重联的制度似乎是可实现的动态和高度不稳定的薄电流片,而不需要电流片是湍流。
2009-09-10 physics.plasm-ph physics.space-ph
Statistical Analysis of Current Sheets in Three-Dimensional Magnetohydrodynamic Turbulence
本文建立了一个研究三维磁流体湍流数值模拟中电流片统计特性的框架。我们描述了一种算法,识别电流片在模拟快照,然后确定其几何特性(包括长度,宽度和厚度)和强度(峰值电流密度和总能量耗散率)。然后,我们将此程序应用于模拟减少MHD湍流,并进行统计分析所获得的人口的电流片。我们评估的作用,分别研究人口的电流片,其中包含磁性X点和那些不重联。我们发现,这两个总体的统计特性是不同的。我们比较这些属性的标度MHD湍流的惯性范围内获得的唯象预测。最后,我们检验了重联电流片是否与Sweet-Parker模型一致。
2013-02-06 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Development of Tearing Instability in a Current Sheet Forming by Sheared Incompressible Flow
高伦德奎斯特数等离子体中的Sweet-Parker电流片对撕裂不稳定,这表明它们不会在物理系统中形成。因此,理解磁重联需要研究电流片形成时的稳定性。由于剪切,亚阿尔夫文不可压缩流使片变窄,因此可能发生形成。标准撕裂理论(Furth等,1963; Coppi等,1976; Rutherford,1973)不能直接应用于这种成形薄板,原因有二:第一,因为流动引入了标准计算中不存在的项;第二,因为变化的平衡引入了标准计算中常数项的时间依赖性,使本征值问题的公式化复杂化。本文采用标准的撕裂模式分析,以面对这些挑战。在初始阶段,当任何扰动主要由理想MHD支配时,坐标变换揭示了流动压缩和拉伸扰动。多尺度公式描述了线性撕裂模理论(Furth et al. 1963; Coppi et al. 1976)如何应用于流动下的平衡变化,表明通过使标准尺度依赖于时间,流动仅隐含地影响可分离的指数增长。在非线性卢瑟福阶段,坐标变换表明,标准理论可以通过添加到稳态速率的时间依赖性和一个额外的项,由于加强平衡磁场。总的来说,这种理解支持使用无流动的缩放与轻微的修改,以研究在成形片材撕裂。
2018-02-28 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Scaling of reconnection parameters in magnetic island coalescence: Role of in-plane shear flow
一个二维不可压缩粘流磁流体模型[Mahapatra et.例如,等离子体28,072103(2021)]被用来研究两个有趣的场景下的磁岛合并问题中的重联参数的标度。首先,在固定的系统尺寸改变岛半宽度的效果进行了研究。随着岛半宽的增加,总磁通量增加,导致上游磁场、上游速度场和非归一化重联率增加,而归一化重联率、下游磁场和电流片长度与之无关。有趣的是,重联率与电流片的上下游速度以及纵横比的倒数不同。与斯威特-帕克模型的结果相反。其次,研究了在岛宽度和系统尺寸固定的情况下,平面内剪切流的影响。计算了电流片的厚度和长度、上游磁场和速度场分量、重联率和时间、电流片倾角与剪切流长度尺度和振幅的关系。有趣的是,电流片和扩散区的倾斜角被发现是不同的。这些差异在更强的剪切流中更明显。这些结果与剪切流动的Harris片设置有显着不同。这些结果在地球磁层观测和聚变等离子体实验中具有潜在的应用价值。
2022-11-09 physics.plasm-ph physics.space-ph
Fast Magnetic Reconnection: Secondary Tearing Instability and Role of the Hall Term
在许多天体物理环境中,磁重联提供了爆炸性能量释放、等离子体加热和粒子加速的主要来源。近几年来,人们对磁流体撕裂不稳定性作为有效重联的驱动力的兴趣又重新燃起。已经确定的是,如果当前的片层纵横比变得足够小(对于给定的伦德奎斯特数$S\gg 1$,为$a/L \sim S^{-1/3}$),重联发生在理想的阿尔文时间尺度上,并且变得与$S$无关。在这里,我们调查,通过二维模拟,\emph{ideal}撕裂不稳定性的霍尔-MHD制度,这是适当的电阻层$δ$的宽度变得可比的离子惯性长度$d_i$。此外,我们详细研究了二次电流片的自发发展和重新连接,这对于高$S$自然调整到理想的纵横比,因此它们的演变进行得非常迅速。对于中等低的$S$,为了满足撕裂不稳定性开始所必需的条件$δ\ll a$,纵横比趋向于Sweet-Parker标度($a/L \sim S^{-1/2}$)。当霍尔项被包括在内时,该次级非线性相位的重联率被增强,并且取决于比率$d_i/δ$,可以是相对于纯MHD情况的两倍,并且比线性相位大多达十倍。因此,薄电流片在霍尔-磁流体机制中撕裂不稳定性的演化自然会导致重连点的爆炸性破坏和超阿尔夫文时间尺度上的能量释放,这是解释天体物理观测所需要的。
2019-11-07 physics.plasm-ph