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
Pressure-Strain Interaction: III. Particle-in-Cell Simulations of Magnetic Reconnection
本文利用压力-应变相互作用的两种分解方法，通过二维反平行磁重联的粒子模拟，揭示了正负压力-应变相互作用的产生机制，为相关数值与观测数据解释提供指导。
2022-11-23 physics.flu-dyn physics.plasm-ph physics.space-ph
Magnetic Reconnection with Asymmetry in the Outflow Direction
流出方向不对称的磁重联发生在地球的磁尾、日冕物质抛射、通量抵消事件、天体物理盘、球马克合并实验以及自然界和实验室的其他地方。控制体积分析的情况下，进行稳定的反平行磁重联与不对称的下游压力，这是用来推导出的比例关系的流出速度从每一侧的电流片和重联率。对于不可压缩的情况和下游压力对称但下游密度不对称的情况，给出了流出速度的简单关系式。单独的不对称性并没有被发现对重连率有很大影响。在稳定状态下，流动停滞点和磁场零点不重合，除非在流动停滞点处的压力梯度可以忽略。
2009-12-23 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
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
Comparison of multi-fluid moment models with Particle-in-Cell simulations of collisionless magnetic reconnection
在无碰撞磁重联的背景下，我们引入了一个可扩展的多流体矩模型。该模型演化完整的麦克斯韦方程组，并同时为每个物种在等离子体的弗拉索夫-麦克斯韦方程的时刻。电子惯性和压力梯度等效应自洽地嵌入到所得到的多流体矩方程中，而不需要显式地求解广义欧姆定律。两个限制的多流体矩模型进行了讨论，即，五个时刻的限制，每个物种的标量压力的演变，和十个时刻的限制，演变的全各向异性，非gyrotropic压力张量为每个物种。我们首先证明，分析和数值，五矩模型减少到广泛使用的霍尔磁流体力学（霍尔MHD）模型的假设下消失的电子惯性，无限的光速，和准中性。然后，我们比较了十矩和完全动力学粒子在细胞（PIC）模拟的大规模哈里斯片重联问题，其中十矩方程封闭的局部线性无碰撞近似的热通量。十矩模拟给出了合理的协议与PIC结果的结构和大小的电子流，极性和大小的电子压力张量的元素，和广义欧姆定律的分解。本文还讨论了改进简单局部封闭向非局部全三维封闭的可能途径。
2014-10-02 physics.plasm-ph physics.space-ph
Anisotropic Heating and Parallel Heat Flux in Electron-only Magnetic Reconnection with Intense Guide Fields
本文利用二维全动力学PIC模拟研究不同强度强引导场下的仅电子磁重联，揭示电子温度各向异性、平行温度多极结构转变及强平行电子热流的特征。
2024-06-27 astro-ph.EP physics.plasm-ph physics.space-ph
Laboratory evidence of electron pressure anisotropy driving plasmoid mediated magnetic reconnection
Light Stream Labs LLC（Light Stream Labs 有限责任公司）；LULI - CNRS, CEA, UPMC Univ Paris 06 : Sorbonne Université, Ecole Polytechnique, Institut Polytechnique de Paris（LULI - 法国国家科学研究中心，法国原子能和替代能源委员会，巴黎第六大学：索邦大学，综合理工学院，巴黎理工学院）；INRS-EMT；University of Bordeaux, Centre Lasers Intenses et Applications, CNRS, CEA, UMR 5107（波尔多大学，高强度激光中心，法国国家科学研究中心，法国原子能和替代能源委员会）；Central Laser Facility, Rutherford Appleton Laboratory（中央激光设施，卢瑟福·阿普尔顿实验室）；Technion Israel Institute of Technology（以色列理工学院）；CELIA, Université de Bordeaux–CNRS–CEA, UMR 5107（CELIA，波尔多大学-法国国家科学研究中心-法国原子能和替代能源委员会）；Sorbonne Université, Observatoire de Paris, Université PSL, CNRS, LUX（索邦大学，巴黎天文台，巴黎文理研究大学，法国国家科学研究中心）
研究通过3D混合模拟与激光驱动实验，发现电子压力各向异性是撕裂不稳定性增长的关键驱动因素，为实验室和天体等离子体磁重联动态评估奠定基础。
2026-04-16 physics.plasm-ph
Model for Incomplete Reconnection in Sawtooth Crashes
提出了一种非完全重连的碰撞模型。在锯齿形碰撞阶段的重连流入自洽对流的高压核心向重连网站，提高那里的压力梯度。如果重连点的抗磁漂移速度超过阈值，重连就会关闭，这可能解释了重连不完全的原因。重联停止后磁剪切的弛豫可以解释先前报道的理想交换不稳定性的不稳定性。双流体模拟原理验证证实了这一基本观点。该模型的预测比较有利的数据从兆安培球形托卡马克。锯齿运输建模的应用进行了讨论。这些结果应该适用于包括ITER在内的托卡马克。
2011-11-02 physics.plasm-ph
Influence of the Lower Hybrid Drift Instability on the onset of Magnetic Reconnection
二维和三维动力学模拟结果揭示了低杂波漂移不稳定性LHDI对磁重联发生的重要性。显式和隐式动力学模拟表明，LHDI各向异性地加热电子，并增加峰值电流密度。线性理论预测，这些修改可以将撕裂不稳定性的增长率增加近两个数量级，并将增长最快的模式转移到明显更短的波长。这些预测证实了非线性动力学模拟中，小规模的磁岛的增长和合并导致大规模的重联快速发病。
2004-03-22 physics.plasm-ph physics.space-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
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
Collisionless Magnetic Reconnection in a Five-Moment Two-Fluid Electron-Positron Plasma
University of Wisconsin, Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）
使用各向同性压力的无碰撞双流体模型模拟电子-正电子等离子体磁重联，发现缺乏数值扩散时不会发生快速重联，与存在霍尔效应或各向异性压力的情形形成对比。
2008-12-03 cs.NA math.NA physics.plasm-ph
Configuration of magnetotail current sheet prior to magnetic reconnection onset
磁尾电流片的配置决定了控制亚暴发生的磁重联特性，亚暴是地球磁层中最具活力的现象之一。静止时间电流片通常近似为由各向同性等离子体压力梯度平衡的二维（2D）磁场配置。然而，重联开始之前的电流片变薄和形成的近一维（1D）的磁场配置。在这项研究中，使用粒子模拟，我们调查的力量平衡，这样薄的电流片时，他们被等离子体流入驱动。我们证明了磁场位形从二维到一维的转变，由于形成等离子体压力nongyrotropics和揭示其起源的离子分布的nongyrotropic条款。我们表明，亚暴的发病可能是由这样的nongyrotropic电流片的不稳定性和动力学控制，从最常见的调查二维各向同性配置有很大不同的属性。
2022-03-29 physics.plasm-ph physics.space-ph
A new Look at the Electron Diffusion Region in Asymmetric Magnetic Reconnection
本文对无碰撞磁重联中电子扩散区的结构作了新的研究。该研究基于非对称磁重联的粒子模拟，其中除了密度和磁场梯度之外，还包括穿过电流层的温度梯度。我们发现X点、流动停滞点和局部电流密度峰值都不重合。对流滞点和电流密度峰值附近的电流和能量平衡分析一致地表明，电流耗散与非各向异性电子压力的发散有关。此外，当与电子流速的剪切型梯度结合时，相同的压力项也用于保持局部热能以防止对流损失。这些效应与对称磁重联中的效应相似。此外，我们在这里发现显着的影响有关的对流的电流，我们可以涉及到一个广义的抗磁漂移的nongyrotropic压力发散。因此，只有部分压力用于耗散电流密度。然而，先前的结论，即重联电场的作用是保持电流密度，这是一个对称的系统，在这里也适用。最后讨论了EDR中电子分布函数的相关特征。
2020-07-07 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
The Force Balance of Electrons During Kinetic Anti-parallel Magnetic Reconnection
本研究通过全动力学模拟探究二维反平行磁重联中电子的力平衡，发现在自然质子电子质量比条件下，电子入流由各向异性压力驱动，重联电场由非对角电子压力应力平衡，重联率由大尺度等离子体动力学决定。
2023-04-04 physics.plasm-ph physics.space-ph
A Numerical Experiment on Oscillatory Magnetic Reconnection in a Laboratory Plasma System Driven by Alternating Currents
Indian Institute of Technology (BHU)（印度理工大学（贝拿勒斯））；St Andrews University（圣安德鲁斯大学）
利用MPI-AMRVAC框架，研究交流驱动下磁零点受快磁声波扰动产生的振荡重联，发现电流片方向转变及霍尔效应引起的时滞等离子体流。
2026-06-08 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Experimental mitigation of fast magnetic reconnection in multiple interacting laser-produced plasmas
本研究通过实验比较单点和多点激光驱动磁重联，发现多点邻近时重联率降低，混合PIC模拟表明霍尔场畸变和外流受阻是主要原因。
2023-05-09 physics.plasm-ph
Numerical study of non-gyrotropic electron pressure effects in collisionless magnetic reconnection
我们调查的时间演化的六分量电子压力张量的混合代码研究的后果，在一个初始扰动哈里斯片的二维重联过程。我们提出，两个张量分量（对角和非对角）的增长是不稳定的方式，除非各向同性算子被认为是。该各向同性项在物理上与电子热通量相关联。因此，我们提出，在亚离子尺度下，在场反转的正中间观察到对角分量的增强值。由于动压的增加，该电子层中的磁场减小，因此增加了其边缘处的相关面外电流并导致其分叉。分叉机制是基于电子压力各向异性的存在，有关的流入电子体速度的梯度。增强的对角电子压力张量分量的流入方向上的梯度导致进入X点区域的离子的减速。我们认为，分叉电流片产生的各向异性/agyrotropies的六分量电子压力张量对应于较小的重联率相比，非分叉的。
2021-07-22 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Quantifying the Effect of Non-Larmor Motion of Electrons on the Pressure Tensor
在空间等离子体中，磁重联和湍流的各种效应使电子运动显著偏离其拉莫尔轨道。总的来说，这些轨道影响电子速度分布函数，并导致在压力张量的“非回转”元素的外观。这种效应的量化在空间和实验室等离子体中有重要的应用，其中之一是在空间观测中追踪磁重联的电子扩散区（EDR）。压力张量的各向异性已有三种不同的度量，即$A\varnothing_e$、$D_{ng}$和$Q$。众多相互矛盾的措施在社区内造成了混乱。我们重新考虑的基本性质的agyrotropy措施应该有这个问题。我们发现，$A\varnothing_e$，$D_{ng}$和$Q$都是基于压力张量的主子项（即旋转不变量$I_2$）的总和定义的。我们详细讨论了基于$I_2$的措施的问题，并解释了为什么他们可能会产生模棱两可的和有偏见的结果。我们引入了一个新的措施$AG$构造的基础上的行列式的压力张量（即旋转不变$I_3$）不遭受的问题，$I_2$为基础的措施。在二维和三维的粒子-细胞磁重联模拟中，我们将$AG$与其他测量方法进行了比较，结果表明$AG$可以有效地追踪Harris和无力电流片中重联的EDR.另一方面，$A\varnothing_e$在EDR和无力重联模拟中的分界线部分没有显示出显著的峰，这表明$A\varnothing_e$在这种情况下不能测量所有的非回转效应，并且不适合于研究除Harris片重联之外的更一般情况下的磁重联。
2018-02-14 nlin.CD nlin.SI physics.plasm-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
Drift instabilities in thin current sheets using a two-fluid model with pressure tensor effects
在流体模型中整合动力学效应对于地球磁层的全球模拟非常重要。我们使用一个双流体十矩模型，其中包括压力张量，并已被用来研究重联，研究的漂移扭结和较低的混合漂移不稳定性。使用非局部线性本征模分析，我们发现，对于扭结模式，十矩模型显示出良好的协议与动力学计算与重联模拟中使用的相同的封闭模型，而电磁和静电低杂波不稳定性需要建模的离子共振的影响，使用朗道流体封闭。与动力学模拟和全球磁层模拟的结果的影响进行了比较讨论。
2019-03-22 physics.plasm-ph physics.space-ph
Bursty magnetic reconnection at the Earth's magnetopause triggered by high-speed jets
本研究利用三维混合模拟揭示，在准径向南向IMF湍流条件下，磁鞘高速喷流撞击可压缩磁层顶电流片并触发局地突发磁重联。
2021-08-21 physics.plasm-ph physics.space-ph
Experimental Evidence of Plasmoids in High-$β$ Magnetic Reconnection
磁重联是等离子体中普遍存在的一个基本过程，通过它磁场改变其拓扑结构并释放磁能。尽管经过了几十年的研究，在许多参数范围内控制重联过程的物理学仍然存在争议。当代重联理论预测，狭长的电流片容易受到撕裂不稳定性的影响，并分裂成孤立的磁岛（或等离子体团），从而提高了重联率。虽然在低到中等- $β$（其中$β$是等离子体热压力与磁压力之比）的状态下对等离子体团进行了几次实验观测，但在许多空间和天体物理背景下典型的高- $β$重联环境中等离子体团的实验证据相对缺乏。在这里，我们报告的观察强有力的实验证据等离子体团的形成和动力学在激光驱动的高$β$重联实验。
2022-07-08 physics.plasm-ph
Onset of magnetic reconnection in a collisionless, high-beta plasma
在磁化的无碰撞等离子体中，组成粒子的磁矩是绝热不变量。因此，在这样的等离子体中磁场强度的增加导致垂直于场线的热压力的增加。在$β$依赖的阈值之上（其中$β$是热压力与磁压力的比率），这种压力各向异性驱动镜像不稳定性，在离子拉莫尔尺度上产生场线的强烈扭曲。这种不稳定性的影响磁重联的研究使用一个简单的分析模型的形成电流片（CS）和相关的生产压力各向异性。维持各向同性，麦克斯韦粒子分布在CS的形成和随后的变薄在无碰撞等离子体中的困难，再加上低阈值的镜子不稳定性在高$β$等离子体，意味着重连磁场的几何形状可以从根本上不同于标准的哈里斯片轮廓经常用于模拟无碰撞重连。因此，取决于CS形成的速率和初始CS厚度，撕裂模式的增长速率和波数由这种差异提高，可能会破坏镜像出没的CS之前，标准撕裂模式可以开发。一个定量的理论来说明这一过程，这可能会发现在撕裂介导的动力学磁旋转“通道”模式的中断的应用。
2019-01-06 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-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
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
Local regimes of turbulence in 3D magnetic 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。我们开发了一种诊断方法来研究重连点周围各个区域的波动谱。我们定义的通量函数的局部值，确定的距离形成的重联网站，在流出和流入的负值正值的区域。我们发现，波动属于两个非常不同的制度取决于当地的等离子体β（定义为等离子体和磁压力的比率）。第一个政权的发展中的重联流出β是高的，其特征在于通过异常的粘度和电阻率导致动量和能量交换的等离子体和电磁波动之间的强联系。但是还有第二个低β区域：它在流入和分界面周围的区域中发展，包括重联电子扩散区域本身。值得注意的是，这种低β等离子体，其中磁压占主导地位，保持层流，即使电磁场是湍流。
2019-10-26 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Boosting Magnetic Reconnection by Viscosity and Thermal Conduction
利用磁流体动力学模拟方法研究了磁重联的非线性演化，包括均匀电阻率、均匀粘性和各向异性热传导。当粘性超过电阻率（磁普朗特数Prm > 1）时，粘性耗散主导流出动力学，并导致电流片内等离子体密度的降低。低密度电流片支持涡旋的激发。当Prm > 1时，涡旋的厚度比海流的厚度宽.更宽的涡流更有效地将上游的磁通量携带到重联区域，从而促进重联。假设热传导足够快以带走由粘性耗散增加的热能（流体普朗特数Pr < 1），则重连率随粘性增加。结果表明，需要控制的普朗特数的重联对传统的电阻模型。
2016-07-26 astro-ph.EP physics.plasm-ph physics.space-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
Gaussian-Moment Relaxation Closures for Verifiable Numerical Simulation of Fast Magnetic Reconnection in Plasma
UNIVERSITY OF WISCONSIN – MADISON（威斯康星大学麦迪逊分校）
本文研究了等离子体流体模型中最小要求以实现与动能模拟一致的收敛模拟，提出高斯矩两流体MHD模型并引入压力张量各向同性以解决奇异问题，提出10时刻旋向热通量闭合以提高模拟稳定性。
2014-09-25 cs.NA math.NA physics.plasm-ph
Magnetic Reconnection in Extreme Astrophysical Environments
磁重联是一种基本的等离子体磁拓扑结构的剧烈重排过程，经常导致磁能的剧烈释放。它在磁聚变、空间和太阳物理学中很重要，这些领域迄今为止为大多数重连研究提供了背景。重要的是，这些环境仅由电子和离子组成，并且耗散的能量总是与等离子体一起。与此相反，本文介绍了一个新的研究方向，在高能天体物理学的几个重要问题的动机-重联在高能量密度（HED）辐射等离子体，辐射压力和辐射冷却成为压力和能量平衡的主导因素。我确定区分HED重联的关键过程：特殊的相对论效应;辐射效应（辐射冷却，辐射压力和康普顿电阻率）;以及在最极端的情况下，QED效应，包括对创建。然后，我讨论了主要的天体物理应用-磁场强度（超过量子临界场约4 × 10^13 G）的情况：巨大的SGR耀斑和磁力驱动的中央引擎和GRB喷射。在这里，磁能密度是如此之高，其耗散加热等离子体的MeV温度。然后大量产生电子-正电子对，使重联层高度碰撞，并将其包裹在一层厚厚的对涂层中，以捕获辐射。压强主要由辐射和电子对决定。然而，穿过层的辐射扩散可能比整体阿尔文渡越时间更快;然后，辐射冷却控制热力学，重连成为辐射转移问题，极大地受到超强磁场的影响。这一整体图景与我们传统的重连图景截然不同，因此代表了重连研究的新前沿。
2011-01-13 astro-ph.HE physics.plasm-ph
A Computational Model for Ion and Electron Energization during Macroscale Magnetic Reconnection
本研究扩展宏观磁重联模拟模型kglobal，通过在流体动量方程中加入粒子离子惯性使其涵盖离子与电子，并以Alfvén波传播数值测试标定模型，为研究宏观磁重联中粒子同步非热能量化提供工具。
2024-05-20 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Velocity space origins of pressure-strain interaction in multi-population distributions and its application to magnetic reconnection
Clemson University（克莱姆森大学）；West Virginia University（西弗吉尼亚大学）；Bates College（贝茨学院）；Northumbria University（诺森比亚大学）；U. S. Naval Research Laboratory（美国海军研究实验室）；Princeton University（普林斯顿大学）；Princeton Plasma Physics Laboratory（普林斯顿等离子体物理实验室）；University of New Hampshire（新罕布什尔大学）；University of Iowa（爱荷华大学）
本文通过引入相空间诊断方法，解析了弱碰撞等离子体中压力-应变相互作用的相空间起源，并在二维粒子模拟中揭示了磁重联电子扩散区附近不同电子群体的贡献。
2026-06-02 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.plasm-ph
Proton temperature anisotropy and magnetic reconnection in the solar wind: effects of kinetic instabilities on current sheet stability
我们通过二维混合模拟研究了质子各向异性驱动的动力学不稳定性对磁重联发生的作用。研究了在周围等离子体中存在质子温度各向异性时电流片的无碰撞撕裂。我们的结果证实，电流片区域内的各向异性质子可以显着增强/稳定电流的撕裂不稳定性。此外，大质子温度各向异性激发的线性不稳定性相关的波动可以显着影响等离子体的稳定性和扰动的电流片，触发撕裂不稳定性。我们发现，这样一个复杂的耦合导致更快的撕裂演化的制度，具有较大的垂直温度时，离子回旋不稳定性产生的各向异性质子分布函数。相反，在存在相反的各向异性的情况下，由具有较大平行温度的不稳定背景质子激发的消防水带波动不能有效地使电流片不稳定，电流片在消防水带饱和后长时间保持稳定。我们讨论了这种新的耦合对太阳风和日球等离子体动力学的可能影响。
2012-12-10 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
The formation of magnetic depletions and flux annihilation due to reconnection in the heliosheath
太阳自转轴和太阳磁轴的错位产生了帕克螺旋磁场和扇形太阳风的周期性反转。扇形区的压缩预计将导致日鞘（HS）的重新连接。我们提出的粒子在细胞模拟的扇区HS，反映沿旅行者1号和2号轨道的等离子体环境，特别是包括不平等的积极和消极的方位角磁通量中看到的旅行者数据\citep{Burlaga03}。重新连接在各个当前工作表上进行，直到相邻当前层上的岛合并。在后期的时间带的主导磁通量生存，分离带深磁场耗尽。环境等离子体压力支持强磁压力变化，使得压力与磁场强度反相关。穿过磁凹陷边界的磁场方向几乎没有变化。在磁凹陷内不规则的间隔是长期存在的磁岛对，其中磁场方向反转，因此航天器数据将显示急剧的磁场凹陷，只有偶尔的交叉与磁场方向的跳跃。这是来自旅行者号宇宙飞船\citep{Burlaga11,Burlaga16}的典型磁场数据。旅行者2号的数据显示，密度和磁场强度的波动在扇形区是反相关的，正如重联所预期的那样，但在单极区则不是。次优势磁通湮灭的结果是“扇区数”的急剧减少和磁通量的损失，如旅行者1号磁场和流动数据\citep{Richardson13}所记录的。
2017-02-06 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Thin current sheet formation: comparison between Earth's magnetotail and coronal streamers
磁力线重联是一个普遍的等离子体过程，它导致磁场拓扑结构的改变和磁场能量耗散转化为带电粒子的加热和加速。在许多系统中，导致磁重联的条件是由强电流薄层的重联前结构决定的--也称为薄电流片。在这项研究中，我们调查两个这样的系统：地球的磁尾和头盔流光在日华。重联前电流片的演变已在磁尾进行了深入的研究，在那里可以获得现场航天器观测;但头盔流光电流片的研究较少，由于缺乏现场观测-他们主要是研究与数值模拟和信息，可以推测从遥感仪器。两个系统表现出定性相同的行为，尽管他们有很大的不同马赫数，在日华比磁尾高得多。航天器数据（从磁尾）与数值模拟（头盔流光）的比较表明，预重联电流片变薄，在这两种情况下，主要是由等离子体压力梯度控制。两种系统的电流密度、磁场和压力梯度的标度律是相同的。我们讨论如何磁尾观测和动力学模拟可以用来提高我们的理解和建模的头盔流光电流片。
2022-05-04 physics.plasm-ph physics.space-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
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
Double layer electric fields aiding the production of energetic flat-top distributions and superthermal electrons within the exhausts from magnetic reconnection
利用磁重联的动力学模拟，最近表明，磁场取向的电场（E||）可以存在于重联排气中的大空间尺度上。E的最大值||在双层中观察到。在地球的磁层中存在双层是有据可查的。在我们的模拟中，它们的形成是由大量平行的电子流进入重联区触发的。这些平行的电子通量需要保持准中性的重联区，并增加与重联区上游的归一化电子压力的值减小。导出了强双层形成的标准化压力阈值。我们还记录了电子约束，部分由E中的结构提供，||允许通过垂直电场进行持续的极化。这种现象是受限电子混沌轨道运动的结果，其中包括与重联电场对齐的漂移。电子的能量水平与粒子的初始能量成正比，因此会被进入该区域的电子所获得的加速势的初始能量提升所增强。该机制在重联排气的扩展区域中是有效的，允许在重联场景中产生超热电子，包括那些只有单个x线的场景。超热电子的相空间分布的表达式推导，提供了一个准确的匹配的动力学模拟结果。数值和分析结果同意详细的航天器观测记录在地球的磁尾重联事件。
2015-04-29 physics.plasm-ph
Momentum transport and nonlocality in heat-flux-driven magnetic reconnection in high energy density plasmas
最近的理论已经证明了一个新的物理制度的磁重联在高能量密度等离子体中的磁场平流的热通量通过能斯特效应。在这里，我们阐明在这个制度的电子耗散层的物理。通过完全动力学模拟和广义欧姆定律来自第一性原理，我们表明，由于非局部效应，热通量粘度的动量输运，提供了磁重联的耗散机制。标度分析和模拟表明，重联过程由磁场压缩阶段和准稳态重联阶段组成，电流片的特征宽度为几个电子平均自由程.这些结果表明，重要的相互作用之间的非局部输运效应和各向异性组件的生成的分布函数。
2017-08-07 physics.plasm-ph
Proton Acceleration in Low-beta Magnetic Reconnection with Energetic Particle Feedback
本研究针对磁重联中高能粒子在磁流体尺度的反作用研究空白，提出MHD-SDE耦合方法，发现低β磁重联下高能粒子反馈会抑制压缩结构、形成更陡的幂律能谱，证实其在磁重联与粒子加速中的关键作用。
2024-11-04 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
Effects of electron inertia in collisionless magnetic reconnection
在完全电离的氢等离子体中，考虑霍尔电流、电子压力和电子惯性的影响，在完全双流体MHD框架下研究了无碰撞磁重联.我们进行了2.5D模拟，使用伪谱码没有耗散效应。我们检查，理想的不变量的问题是保守的舍入误差。我们的结果表明，磁场线的拓扑结构的变化是完全由于电子惯性的存在。计算出的重连率仍然是阿尔文速度的一个合理的分数，因此有资格作为快速重连。
2014-06-30 physics.plasm-ph
A Lagrangian kinetic model for collisionless magnetic reconnection
提出了一个新的全动力学系统来模拟无碰撞磁重联。该公式依赖于拉格朗日动力学的基本原理，其中在拉格朗日表达式中忽略了电子平均流的惯性，而不是在运动方程中强制零电子质量。这是在将电子速度分成其平均和波动部分时完成的，因此后者自然产生相应的压力张量。该模型表现出一个新的科里奥利力项，它出现在电子动力学的框架的变化。然后，如果忽略电子热通量，强电子磁化极限产生一个混合模型，其中电子压力张量被冻结到电子平均速度。
2012-12-11 nlin.CD physics.plasm-ph
Intermittent Electron-Only Reconnection at Lunar Mini-Magnetospheres
本文通过高分辨率二维全动力学模拟，发现月球迷你磁层中发生间歇性电子-only 磁重联，产生磁岛和强平行电子流，并增强质子反射，驱动太阳风电磁波动。
2024-02-02 physics.plasm-ph physics.space-ph
On the 3-D structure and dissipation of reconnection-driven flow-bursts
利用大尺度三维粒子模拟方法研究了磁重联驱动的外流结构及其耗散。流出射流从3-D重联与有限长度的x线形式的前线，因为它们传播到下游介质。由于反射和透射的离子，在这个“重连射流阵面”（RJF）之前的大的压力增加减缓了阵面，使得它的速度远低于射流核心中环境离子的速度。结果，RJF减慢并将高速流转向垂直于重联平面的方向。其结果是，RJF作为热化网站的离子体流，并有助于显着的耗散的磁能在重联过程中，即使流出射流是亚音速的。这种行为在二维重联中没有对应物。一个简单的分析模型预测的前端速度和离子体流的能量被耗散的分数。
2014-03-18 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Slow Shock Formation Upstream of Reconnecting Current Sheets
探讨了重连流层上游区域慢激波的形成、发展和影响。在磁流体动力学（MHD）磁重联模拟的上游区域以及{ \it kglobal}动力学宏观模拟模型的类似模拟中，慢激波已被证明。因此，它们是预热注入电流层的等离子体的候选机制，这些电流层有助于太阳耀斑中的磁能释放。特别令人感兴趣的是它们在产生耀斑中电子的热成分方面的潜在作用。在多岛重联过程中，重联电流层中磁通绳的形成和合并驱动了上游区域的等离子体流动和压力扰动。这些压力扰动变陡成慢激波，沿磁场的重联分量传播，并满足预期的朗肯-雨果尼奥跳跃条件。等离子体加热来自于冲击和平行电场的压缩，平行电场的发展是为了保持动力学系统中的电荷中性。在较低的等离子体$β$处，激波较弱，激波陡化缓慢。虽然这些上游慢冲击是内在的多岛重联的动力学，其贡献的电子加热仍然相对较小的费米反射和平行的电场，绑定的重联流出相比。
2021-12-09 physics.plasm-ph physics.space-ph
Role of magnetic reconnection in MHD turbulence
目前对MHD湍流的理解设想湍流涡旋在所有三个方向上都是各向异性的。在垂直于局部平均磁场的平面上，这意味着这种涡旋在小尺度上变成了电流片状结构。我们分析了磁重联在这些结构中的作用，并得出结论，重联成为重要的尺度$λ\sim L S_L^{-4/7}$，其中$S_L$是外尺度（$L$）伦德奎斯特数和$λ$是最小的场垂直涡尺寸。这个尺度大于由涡流的电阻性扩散所设定的尺度，因此意味着能量耗散的路线与由柯尔莫哥洛夫现象学所预测的路线从根本上不同。特别是，我们的分析预测存在的亚惯性，重联间隔的MHD湍流，傅立叶能量谱$E(k_\perp)\propto k_\perp^{-5/2}$，其中$k_\perp$是波数垂直于当地平均磁场。同样的计算也进行了高（垂直）磁普朗特数等离子体（$Pm$），其中的重联规模被发现是$λ/L\sim S_L^{-4/7}Pm^{-2/7}$。
2016-12-21 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Identification of intermittent multi-fractal turbulence in fully kinetic simulations of magnetic reconnection
最近的磁重联的完全非线性、动力学三维模拟[Daughton et al. 2011]以一种让人联想到湍流的方式演化了结构并展示了多尺度上的动力学。这些模拟的重联是第一次在足够的时空分辨率进行，以允许正式的定量分析，我们在这里提出的统计尺度。我们发现，由重联产生的磁场波动是各向异性的，具有非平凡的空间相关性，并表现出有限范围的流体湍流的标志，它们具有非高斯分布，表现出扩展的自相似性，在其标度和空间多重分形。此外，我们发现，该领域J.E也是多重分形，使磁能转换为等离子体动能的方式，是空间间歇性的。这表明，在这个意义上的耗散在动力学尺度上的无碰撞重联有类似的流体湍流现象，因为它通过间歇级联产生的多重分形结构进行。
2013-02-07 physics.plasm-ph
Scale Filtering Analysis of Kinetic Reconnection and its Associated Turbulence
本文采用尺度滤波方法结合动力学PIC模拟，揭示重联中压强-应变相互作用在离子惯性长度以下尺度成为主导能量转移通道，并阐明引导场对能量转移形态的影响。
2023-10-25 physics.plasm-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
Kinetic Simulations of Radiative Magnetic Reconnection in the Coronae of Accreting Black Holes
我们进行了二维和三维的粒子在细胞中的磁主导对等离子体的重联模拟受到强康普顿冷却。在这样的条件下，重连发生在黑洞周围的吸积盘日冕中，通过康普顿化产生硬X射线。我们的模拟结果表明，在重联层中的大部分等离子体是保持冷的康普顿损失和锁定在磁为主的等离子体团与小的热压力。康普顿阻力清除了等离子体团内部的空洞，并影响了它们的整体运动。然而，这些影响，弱的变化的重联率和等离子体团的大小分布从那些在非辐射重联。这表明，在这两种情况下，重联动力学是由类似的磁应力和微弱的热压力的影响。我们研究了辐射重联激发的粒子的能量分布，并观察到两个组成部分。(1)一个温和的相对论峰，这是由冷却等离子体团的整体运动的结果。该组件接收大部分耗散的重连功率，并主导输出X射线发射。峰具有准麦克斯韦形状，有效温度为100 keV。因此，它模仿热康普顿先前用于拟合硬态光谱的吸积黑洞。(2)高能量尾部，接收20%的耗散重连功率。它由在X点处被脉冲加速的粒子或被X点的快速流出“拾取”的粒子填充。高能粒子立即冷却，它们的逆康普顿发射解释了在天鹅座X-1的硬态中检测到的MeV光谱尾部。我们的第一原理模拟支持重联作为一种机制，从吸积黑洞的硬X射线发射。
2020-07-21 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Simulation of Fast Magnetic Reconnection using a Two-Fluid Model of Collisionless Pair Plasma without Anomalous Resistivity
UW-Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）
本文首次在无异常电阻的无碰撞对等离子体流体模型中，通过各向异性绝热双流体模型和各向同性松弛机制，证明了磁零点附近的快速磁重联。
2010-10-01 cs.NA math.NA physics.plasm-ph
Three-dimensional oscillatory magnetic reconnection
在这里，我们详细的动态演变的局部重联区域的三维（3D）磁零点通过使用数值模拟。我们证明了第一次，重新连接触发的局部崩溃的三维零点，由于外部MHD波涉及一个自生振荡，从而电流片和流出的射流经历一个重新连接反转过程中，背压形成在射流头的行为，以撬开崩溃的字段之前，过冲到一个相反的极性配置的平衡。在完全三维零重联可以自然地进行，在一个时间依赖性和周期性的方式的发现是暗示振荡重联机制可能发挥作用，在解释周期性的天体物理现象与磁重联，如观察到的太阳和恒星耀斑发射的准周期性。此外，我们发现振荡重联的一个后果是产生过多的自由传播的MHD波，这些波逃离了重联区附近
2017-06-29 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
