Current Sheets and Collisionless Damping in Kinetic Plasma Turbulence
我们提出了第一个研究的形成和耗散的电流片在电子尺度上的波驱动,弱碰撞,三维动力学湍流模拟。我们调查的相对重要性耗散与无碰撞阻尼通过共振波-粒子相互作用与耗散在小尺度电流片在弱碰撞等离子体湍流。电流片形成自洽从波驱动的湍流,其填充分数是很好的相关电子加热速率。然而,模拟的弱碰撞性质必然意味着电流片不会通过欧姆耗散显著耗散。相反,通过与电子的朗道共振的无碰撞阻尼足以解释作为模拟中尺度的函数的测量的加热,而不需要显著的欧姆耗散。这一发现表明,电流片的耗散是由共振波-粒子相互作用和电流片的位置在空间上对应于增强加热的区域的可能性。
2013-06-07 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Temporal Intermittency of Energy Dissipation in Magnetohydrodynamic Turbulence
磁流体动力学(MHD)湍流中的能量耗散在空间上是高度间歇性的,集中在片状相干结构中。人们对时间上的间歇性知之甚少,这是湍流的另一个基本方面,对于观察太阳耀斑和其他空间/天体物理现象具有重要意义。本文研究了MHD湍流数值模拟中能量耗散的时间不稳定性。我们认为四维时空结构,“耀斑事件”,负责大部分的能量耗散。我们发现,虽然耀斑事件往往是非常复杂的,他们表现出强大的幂律分布和标度关系。我们发现耗散能量的概率分布具有接近-1.75的幂律指数,类似于太阳耀斑的观测,表明强烈的耗散事件主导了系统的加热。我们还讨论了耀斑事件的时间不对称性作为湍流级联的签名。
2015-01-07 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
A Weakened Cascade Model for Turbulence in Astrophysical Plasmas
本文提出了一个精细的弱碰撞天体物理等离子体动力学湍流级联模型,它既考虑了弱湍流和强湍流之间的转换,又考虑了非局域相互作用对能量非线性传递的影响。该模型描述了弱和强MHD湍流之间的过渡和从强动力学Alfven波(KAW)湍流到弱耗散KAW湍流的互补过渡,这是一种新的弱湍流状态,其中大尺度运动剪切效应和动力学耗散起着重要作用。在耗散范围内的非线性能量级联率的非局部运动的影响,特别是剪切大尺度运动,建议列入解释近幂律能量谱的动力学数值模拟和太阳风观测的耗散范围内观察到的。
2011-09-19 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Evidence of Critical Balance in Kinetic Alfven Wave Turbulence Simulations
对动力学等离子体湍流进行了数值模拟,以评估临界平衡对动力学耗散尺度湍流的适用性。在频域中执行分析以避免执行湍流的局部分析中固有的复杂性。建立了耗散尺度临界平衡的理论模型,并与数值模拟结果进行了比较,两者吻合良好,这一结果构成了动力学湍流模拟中临界平衡的第一个证据,为各向异性湍流叶栅扩展到耗散范围提供了证据。我们还进行了欧拉频率分析的模拟数据,并将其与以前的研究磁流体动力学湍流模拟的结果进行比较。
2011-12-30 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Energy Dissipation in Magnetohydrodynamic Turbulence: Coherent Structures or "Nanoflares"?
通过识别耗散结构和测量其特征尺度,研究了磁流体动力学(MHD)湍流中能量耗散的不稳定性。我们发现能量耗散率的概率分布呈现指数非常接近临界值-2.0的幂律尾部,这表明所有强度的结构对能量耗散的贡献是相等的。我们发现,能量耗散均匀分布在长度和宽度在惯性范围内的相干结构。与此同时,这些结构的厚度在耗散区很深。随着雷诺数的增加,结构变得更薄和更多,而能量耗散继续主要发生在大尺度相干结构中。这意味着,在高雷诺数的限制,能量耗散发生在薄的,紧密包装的电流片,但跨越连续的规模高达系统的大小,表现出的相干结构和nanoflares的功能,以前作为一个日冕加热机制。
2014-09-11 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Reynolds-number dependence of the dimensionless dissipation rate in homogeneous magnetohydrodynamic turbulence
本文研究了在外力作用下,定常和非定常磁流体(MHD)湍流的无量纲耗散率$C_{\varepsilon}$的行为。结合前人对自由衰减MHD湍流的研究,本文得到了适用于均匀MHD湍流的最一般的$C_{\varepsilon}$模型方程,并对单位磁普朗特数下无量纲总能量耗散率随雷诺数的变化进行了全面的数值研究。我们进行了一系列中高分辨率的直接数值模拟机械强制固定MHD湍流,以验证模型方程的预测固定的情况下。此外,非普适性的问题进行了讨论的外力的影响,以及交叉和磁螺旋度的水平。渐近线$C_{\varepsilon,\infty}$的测量值位于自由衰变的$0.193 \leqslant C_{\varepsilon,\infty} \leqslant 0.268$之间,其中该值取决于交叉和磁螺旋度的初始水平。在平稳的情况下,我们测量$C_{\varepsilon,\infty} = 0.223$。
2017-01-04 astro-ph.CO astro-ph.SR physics.flu-dyn
Magnetic Prandtl number dependence of kinetic to magnetic dissipation ratio
利用直接数值模拟三维磁流体湍流,无论是螺旋或非螺旋强迫,我们表明,运动的能量耗散的比例总是增加与磁普朗特数,即,运动粘度与磁扩散率之比。这种依赖关系总是可以近似为幂律,但指数在所有情况下都不相同。对于非螺旋湍流,指数约为1/3,而对于螺旋湍流,指数在0.6和2/3之间。在统计稳定状态下,发电机将动能转化为磁能的速率必须等于焦耳耗散速率。我们强调,无论是小规模和大规模的发电机,能量转换的效率敏感地依赖于磁普朗特数,从而对微物理耗散过程。为了理解这种行为,我们还研究了湍流的壳模型和一维被动和主动标量模型。我们的结论是,磁普朗特数的依赖性是定性最好的再现在一维模型中的耗散通过本地化阿尔芬扭结的结果。
2014-07-18 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Solar wind magnetic turbulence: Inferences from spectral shape
从理论上解释了太阳风湍流谱斜率的理论、数值和观测测定之间的某些差异。在太阳风磁湍流和磁流体动力学模拟中湍流Kolmogorov斜率的计算显示出微小的差异。这些被用来推断熵产生的湍流级联和推断的异常湍流碰撞频率的耗散范围内,以及平均能量输入太阳风湍流。获得了v < 200 Hz量级的异常湍流碰撞频率。相应的固定太阳风磁能输入到磁湍流中的Kolmogorov惯性范围内得到的数量级为50 eV/s。讨论了它的热命运。
2016-02-27 astro-ph.SR physics.space-ph
Energy Dissipation and Landau Damping in Two- and Three-Dimensional Plasma Turbulence
等离子体湍流在空间和天体物理等离子体中普遍存在,在等离子体湍流中起着重要的作用,但导致湍流能量耗散的物理机制仍有待确定。二维动力学模拟已被广泛用于研究耗散过程。2D的限制如何影响能量耗散仍不清楚。这项工作提供了一个模型的比较两维和三维(3D)等离子体湍流使用gyrokinetic模拟,它还探讨了在耗散过程中的动态分布函数。结果表明,低β等离子体的2D和3D非线性回旋动力学模拟都产生了与3D线性模拟中Alfvén波线性朗道阻尼相同的电子速度空间结构。在整个湍流模拟过程中不断出现的速度空间结构表明,朗道阻尼的作用可能是负责在2D和3D中的湍流能量转移到电子,并使随后的不可逆加热等离子体通过碰撞平滑的速度空间波动。尽管在不存在沿平衡磁场的变化的2D情况下,可以预期朗道阻尼是不可能的,但是在2D谐振分母中出现公共三角因子,使得谐振条件与3D情况相比不变。2D和3D情况的演变在性质上是相似的。然而,定量的非线性能量级联和随后的耗散是显着较慢的二维情况下。
2016-12-04 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Cascade and Damping of Alfvén-Cyclotron Fluctuations: Application to Solar Wind Turbulence
磁场的存在将导致各向异性的能量级联和天体物理湍流的耗散。利用扩散近似和线性耗散率,数值研究了太阳等离子体中Alfvén回旋涨落的级联和阻尼。对于各向同性的情况下,稳态湍流谱在惯性范围内几乎是各向同性的,并且可以用谱指数为-3/2的单一幂律函数拟合,类似于Iroshnikov-Kraichnan现象。在磁流体动力学范围之外,动力学效应使光谱在较高波数处变得较软。在耗散范围内,湍流谱在波数处截止,其中阻尼率变得与级联率相当,并且截止波数随波传播方向而变化。各向同性模型的角平均湍流谱类似于破缺的幂律。考虑多普勒效应后,该模型自然地再现了太阳风中幂律湍流谱的破裂,并预测了较高的破裂频率总是伴随着较软的耗散范围谱,这可能是由于湍流强度、等离子体β的倒数和/或太阳风速度与平均磁场之间的夹角的增加造成的。这些预测可以通过与更精确的观测进行详细的比较来检验。
2009-03-27 astro-ph.HE astro-ph.SR
Fluid-like dissipation of magnetic turbulence at electron scales in the solar wind
在太阳风中,磁场涨落的湍流谱在离子特征尺度上显示出谱突变。在电子尺度上,光谱形状还没有完全确定。在这里,我们进行了102光谱等离子体动力学尺度的统计研究,测量的集群/STAFF仪器在自由太阳风。我们发现,在高频范围[1,400] Hz内,磁谱的形式与流体动力学中耗散范围~Ak^(-α)exp(-kl_d)内的磁谱相似。发现耗散尺度l_d与电子的拉莫尔半径ρ_e有关。谱指数α在[2.2,2.9]范围内变化,并且与l_d反相关,正如在能量注入和能量耗散之间平衡的情况下所预期的那样。发现系数A与离子温度各向异性成正比,表明局域离子不稳定性可能对等离子体动力学尺度下的太阳风湍流起一定作用。这里发现的指数谱形状表明,太阳风中磁涨落的有效耗散具有与碰撞流体~k^2δB中电阻项类似的波数依赖性。
2011-11-23 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
The Near-Sun Streamer Belt Solar Wind: Turbulence and Solar Wind Acceleration
帕克太阳探测器(PSP)的第四个轨道到达日心距离下降到27.9 Rs,使太阳风湍流和加速机制能够在比以前更靠近太阳的地方进行现场研究。的湍流特性被认为是显着不同的PSP的第四次太阳能遇到的入境和出境部分,可能是由于接近日光层电流片(HCS)在出境期间。在HCS附近,在流光带风中,湍流被发现具有较低的振幅,较高的磁压缩性,较陡的磁场谱(谱指数接近-5/3而不是-3/2),较低的Alfvénicity,以及在低得多的频率下的“1/f”突变。这些也是1天文单位时慢风的特征,表明近太阳流带风是典型的慢太阳风。性质的转变发生在距HCS约4°的预测角距离处,这表明在这些距离处,流光带风的全宽约为8°。虽然大多数的Alfvénic湍流能量通量PSP测量的反射驱动的湍流模型所需的太阳风加速是一致的,在流光带的通量显着低于模型预测,这表明额外的机制是必要的,以解释加速的流光带太阳风。
2021-01-01 astro-ph.SR physics.space-ph
The Fundamental Parameters of Astrophysical Plasma Turbulence and its Dissipation: Nonrelativistic Limit
该研究引入无量纲等离子体与湍流参数,将10个通用参数缩减至各向同性温度下的3个基本参数,明确湍流阻尼动力学机制的参数依赖,首次绘制出基于驱动尺度和离子等离子体β的湍流阻尼机制相图,为湍流加热预测模型构建提供基础。
2024-04-17 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Nonlinear Reconnection in Magnetized Turbulence
最近对强磁化等离子体湍流的分析工作假设存在一系列尺度,其中撕裂不稳定性可能支配能量级联。在本文中,我们估计的条件下,这种撕裂可能会引起充分的非线性磁重联的湍流涡旋,从而使显着的能量转换和耗散。当这些条件得到满足时,一个新的湍流区域就会出现,其中重连驱动的能量耗散变得很常见,而不是当它们不满足时必然出现的罕见特征。
2019-07-22 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Modeling the turbulent cross-helicity evolution: Production, dissipation, and transport rates
人们已经认识到,湍流交叉螺旋度(速度和磁场波动之间的相关性)可以发挥重要的作用,在几个磁流体动力学(MHD)等离子体现象,如全球磁场的产生,湍流抑制等,尽管其相关性的交叉螺旋度的演变,很少有人注意到湍流交叉螺旋度的耗散率,$ε_W$。本文考虑湍流交叉螺旋度耗散率的模型表达式。在代数模型的基础上,根据非均匀湍流的统计分析理论,提出了$ε_W$的演化方程。采用$ε_W$湍流模型模拟太阳风湍流。将数值模拟结果与卫星观测结果进行了比较。结果表明,就太阳风应用而言,$ε_W$的最简单的代数模型足以阐明太阳风湍流的大尺度空间演化。并讨论了横螺旋度演化对大尺度速度结构(如速度切变和流动膨胀)的依赖性。
2011-07-29 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
The Nature of Subproton Scale Turbulence in the Solar Wind
太阳风中亚质子尺度波动的性质是一个悬而未决的问题,部分原因是可能发生两种类似的电磁湍流:动力学阿尔芬湍流和哨声湍流。然而,这两种可能性有一个关键的质的区别:哨声湍流,不像动力学阿尔芬湍流,在密度波动中的力量可以忽略不计。在这封信中,我们提出了新的观测数据,以及分析和数值结果,调查这种差异。结果表明,第一次,远低于质子尺度的波动主要是动力学阿尔芬湍流,如果存在的话,哨声波动只占总能量的一小部分。
2013-05-13 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Turbulence Driving by Interstellar Pickup Ions in the Outer Solar Wind
我们重新审视的问题,如何不稳定的散射的星际拾取离子(PUI)可能会驱动外部太阳风的湍流,以及为什么这种散射释放到波动的能量似乎显着低于标准的双球面预测。我们认为,在散射过程中的环境湍流的新拿起的离子的散射可以导致在一个更球形的分布的PUI,并减少产生的波动能量的水平与湍流强度和核心太阳风加热的观察一致。这种情况意味着一个自我调节机制的运作,保持在PUI主导的太阳风的湍流和加热的观察条件。
2023-01-20 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Nonuniversality and finite dissipation in decaying magnetohydrodynamic turbulence
本文从实空间能量平衡方程出发,导出了无平均磁场下均匀磁流体动力学湍流无量纲耗散率随雷诺数变化的模型方程,得到了$C_{\varepsilon}=C_{\varepsilon, \infty}+C/R_- +O(1/R_-^2))$,其中$R_-$为广义雷诺数。常数$C_{\varepsilon, \infty}$描述了总能量转移通量。这个通量取决于磁螺旋度和交叉螺旋度,因为它们影响能量的非线性传递,这表明$C_{\varepsilon,\infty}$的值不是普适的。直接数值模拟进行了高达$2048^3$网格点,数据和模型之间显示出良好的协议。该模型表明,宇宙尺度的磁场的大小是由矢量场相关性的值控制。这里介绍的思想可以用来推导类似的模型方程的其他湍流系统。
2015-05-12 astro-ph.CO astro-ph.SR physics.flu-dyn
Electron Holes and Heating in the Reconnection Dissipation Region
利用粒子模拟和动力学理论,我们探讨了在三维磁重联与引导场的耗散区的电流驱动的湍流和相关的电子加热。在后期,湍流主要由Buneman不稳定性和低混杂不稳定性控制。两者都产生共存的电子空穴,但具有非常不同的传播速度。空穴对电子的散射增强了耗散区的电子加热。
2010-01-19 astro-ph.SR nlin.PS physics.plasm-ph
Three-dimensional simulation of the fast solar wind driven by compressible magnetohydrodynamic turbulence
利用三维可压缩磁流体动力学(MHD)模拟,我们再现了快速太阳风在一个直接和自洽的方式,基于波/湍流驱动的情况下。作为阿尔文扰动在其底部的自然结果,高度压缩和湍流波动产生,导致加热和加速的太阳风。功率谱和结构函数的分析表明,湍流的特点是它的不平衡(在向外阿尔芬波动的意义上)和各向异性的性质。密度波动起源于向外传播的阿尔芬波的参数衰减不稳定性,并在触发湍流的阿尔芬波反射中起着重要作用。我们的结论是,快速太阳风加热和加速的可压缩MHD湍流驱动的参数衰减不稳定性和合成阿尔芬波反射。
2019-07-19 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph