Two-stage electron acceleration by 3D collisionless guide field magnetic reconnection
我们报道了一个新发现的在非相对论区域典型的三维无碰撞导场磁重联的X线附近电子加速的两阶段机制,例如,恒星日冕的研究我们发现电子在重联的线性增长过程中首先被预加速后,在三维导场磁重联的非线性阶段中被进一步加速。这种额外的加速度是由于由流动不稳定性引起的电场和磁场的叠加。除了增强的平行电场,双折射导致额外的曲率驱动的电子加速在引导场方向。其结果是,部分加速的电子光谱变成幂律,在X线附近的光谱指数为$\sim-1.6$。由于非线性重联引起的加速的第二阶段与高能电子的产生有关,例如,恒星日冕的薄电流片
2018-09-09 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Particle dynamics in the electron current layer in collisionless magnetic reconnection
利用粒子模拟方法研究了无碰撞磁重联中电子流层中粒子的动力学行为。电子运动和速度分布函数的跟踪自洽轨迹进行了研究。发现了新的电子轨道类型:电子喷流内部的8字形规则轨道、喷流侧翼的非交叉规则轨道、非交叉Speiser轨道和喷流终止区域下游的非共沸电子。超阿尔夫文外流喷流的性质归因于电子穿过斯佩塞轨道的系综。非交叉轨道由电子电流层附近的极化电场介导。发现非交叉电子的数密度是不可忽略的。这些新的轨道的影响,电子混合,高能电子的空间分布,和观测签名,提出。
2016-08-18 astro-ph.SR 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 inner structure of collisionless magnetic reconnection: The electron-frame dissipation measure and Hall fields
最近提出,电子框架耗散测度,即在电子的静止框架中从电磁场到等离子体的能量转移,识别无碰撞磁重联的耗散区域[Zenitani等人,Phys. Rev. Lett. 106,195003(2011)]。该措施进一步应用到反平行重联的电子尺度结构,通过使用二维粒子在细胞(PIC)模拟。中心耗散区的大小由电子-离子质量比控制,这表明电子物理是必不可少的。一个狭窄的电子喷流沿着流出方向延伸,直到它到达电子冲击。喷流区似乎是反耗散的。在冲击下,电子加热与磁腔特征有关。结果总结到一个统一的图片的单一耗散区的霍尔磁几何形状。
2014-12-31 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Collisionless reconnection: Mechanism of self-ignition in thin current sheets
在薄的无碰撞电流片中的磁重联的自发开始被示出是由热各向异性驱动的磁韦伯模式产生的,在电流层的中心产生种子磁场{ \sf X}点。
2010-04-22 astro-ph.SR physics.geo-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
Particle-in-Cell Simulations of Collisionless Magnetic Reconnection with a Non-Uniform Guide Field
结果提出的碰撞磁重联从最近发现的精确的非线性无力Vlasov-Maxwell平衡的第一次研究。初始状态在一个方向上具有哈里斯片磁场分布,在第二方向上具有非均匀引导场,导致空间恒定的磁场强度以及恒定的初始等离子体密度和等离子体压力。研究发现,重联过程最初类似于引导场重联,但随着系统的发展,会逐渐过渡到反平行重联。一些等离子体参数的时间演化进行了研究,并与模拟结果进行了比较,从哈里斯片平衡和哈里斯片加上恒定的引导场平衡。
2015-12-24 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Collisionless Reconnection in the Large Guide Field Regime: Gyrokinetic Versus Particle-in-Cell Simulations
首次验证了大导场$B_g / δB_0 \gg 1$的结果,给出了聚变磁重联的陀螺动力学模拟和日冕磁场重联相关的$β_i = 0.01$和太阳风磁场重联相关的$β_i = 1$,其中$δB_0$是重联场。粒子单元(PIC)模拟扫描宽范围的引导磁场强度,以测试收敛到陀螺极限。陀螺动力学模拟显示出高度的形态对称性,PIC模拟收敛时,$β_i B_g / δB_0 \gtrsim 1$和$B_g / δB_0 \gg 1$。在政权的收敛,重联率,相对能量转换,和整体的幅度被发现之间的PIC和gyrokinetic模拟匹配良好,这意味着gyrokinetic是能够作出准确的预测,以及在其制度的正式适用性。这些结果表明,在大的引导场限制许多量所产生的非线性演化的重联尺度线性与引导场。
2014-02-18 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Signatures of Secondary Collisionless Magnetic Reconnection Driven by Kink Instability of a Flux Rope
利用三维粒子模拟方法研究了单磁通绳内扭结不稳定性下二次磁重联的动力学特征。次级磁重联的几个签名被确定在垂直于磁通绳的平面:四极电子和离子密度结构和双极霍尔磁场开发的重联区域附近。最强的电场垂直于局部磁场形成,并且在垂直于磁通绳的平面中识别出重联电场。电子流沿着重连线在与支持通量绳磁场结构的电子流相反的方向上发展。沿重联线方向,出现多个平行于磁场方向的电场双极结构,使磁重联区产生湍流。二次磁重联的特征可以帮助定位空间、天体物理和聚变等离子体中的磁重联事件。
2014-08-05 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.plasm-ph
Suppression of collisionless magnetic reconnection in asymmetric current sheets
利用全动力学模拟,我们研究了在反磁漂移速度>>阿尔芬速度和磁剪切角适中的极限下,非对称重联的抑制。我们证明了电子和磁通量之间的滑移有利于重联,甚至可以导致快速重联,缺乏一个流出射流。通过比较的情况下,反磁漂移的温度梯度与同伴的情况下,有一个密度梯度,而不是支持,我们确定了一个强大的抑制机制。由于电流片的不对称性质和由此产生的撕裂模,x线的漂移被局部减慢,然后x线被快速移动的后续通量碾过并吞噬。
2016-02-16 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.plasm-ph
Suppression of the collisionless tearing mode by flow shear: implications for reconnection onset in the Alfvénic solar wind
本文分析强剪切流对无碰撞撕裂模的抑制效应,发现阿尔芬速度剪切流可完全稳定该模,并改变其标度行为,从而解释帕克太阳探测器观测到的近太阳阿尔芬太阳风中重联事件稀少。
2025-08-05 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Collisionless Reconnection in Magnetohydrodynamic and Kinetic Turbulence
最近有人提出(Loureiro & Boldyrev 2017; Mallet et et al. 2017),磁流体动力学(MHD)湍流中的惯性间隔在小尺度下不是由类似Kolmogorov的耗散区域终止,而是由撕裂不稳定性介导的新的亚惯性间隔终止。然而,许多天体物理等离子体几乎是无碰撞的,因此MHD近似不适用于小尺度的湍流。在这封信中,我们提出了扩展的理论的重联介导的湍流等离子体是如此弱的碰撞,发生在湍流涡旋的重联是由电子惯性,而不是电阻率。我们发现,重连介导的湍流的过渡尺度取决于等离子体β和等离子体湍流模型的假设。然而,在分析的所有情况下,在重新连接介导的间隔中的能谱范围从$E(k)dk\propto k^{-8/3}dk$到$E(k)dk\propto k^{-3}dk$。
2017-07-19 astro-ph.SR physics.plasm-ph
The Interplay Between Collisionless Magnetic Reconnection and Turbulence
本文从理论、数值和观测角度回顾了无碰撞等离子体中磁重联与湍流之间复杂的相互作用,重点介绍了 NASA 的 Magnetospheric Multiscale 任务在地球磁层关键区域提供的新见解。
2024-07-30 astro-ph.SR 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
Fast collisionless reconnection and electron heating in strongly magnetized plasmas
使用保留非等温电子动力学的新型流体动力学模型[Zocco & Schekochihin,Phys. Plasmas 18,102309(2011)]研究了强磁化(低β)、弱碰撞等离子体中的磁重联。结果表明,电子加热通过朗道阻尼(线性相位混合)是占主导地位的耗散机制。在时间上,电子加热发生在重联率的峰值之后;在空间上,它集中在磁岛的分界线上。对于足够大的系统,峰值重连率为$cE_{max}\approx 0.2v_AB_{y,0}$,其中$v_A$是基于重连字段$B_{y,0}$的阿尔文速度。岛的饱和宽度是相同的MHD模型,除了小系统,当它变得可比的动力学尺度。
2013-01-02 astro-ph.SR physics.plasm-ph
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
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
Can plasmoid-mediated reconnection occur in collisionless systems?
本文利用2.5维粒子模拟研究无碰撞系统中的次级等离子体团形成,发现真实质量比下无法形成次级等离子体团,且其对重联率无增强作用。
2025-07-16 astro-ph.EP 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
Numerical comparison between a Gyrofluid and Gyrokinetic model investigating collisionless magnetic reconnection
第一次详细比较了无碰撞磁重联的回旋动力学和回旋流体模拟。分析了无碰撞撕裂模的线性和非线性演化。在线性政权,我们已经发现了一个很好的协议,在整个频谱的线性不稳定波数,无论是在漂移动力学限制和有限的离子温度之间的两种方法。非线性地,以小$Δ'$区为研究对象,以$Δ'$为标准撕裂稳定性参数,比较了相关的观测量,如岛宽的演化和饱和,以及饱和相的岛振荡频率,结果基本一致,只是在中等高的$Δ'$值下,饱和岛宽的值有很小的差异.因此,在这里研究的制度,陀螺流体的方法可以描述碰撞重联过程以及更完整的陀螺动力学模型。
2014-06-05 astro-ph.SR physics.comp-ph physics.plasm-ph
Laboratory Study of Collisionless Magnetic Reconnection
本文综述近二十年无碰撞磁重联实验室实验及其与MMS空间观测的联系,总结扩散区结构、能量分配、动力学波和等离子体团多尺度重联等成果,并展望未来研究方向。
2023-07-14 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Disruption of Alfvénic turbulence by magnetic reconnection in a collisionless plasma
我们计算的破坏尺度$λ_{\rm D}$在动态对齐Alfvénic湍流的片状结构被破坏的磁重联在低$β$碰撞等离子体的发病。$λ_{\rm D}$的缩放取决于所考虑的统计的顺序,在更大的尺度上更密集的结构被破坏。主导能谱的结构的破坏尺度是$λ_{\rm D}\sim L_\perp^{1/9}(d_eρ_s)^{4/9}$,其中$d_e$是电子惯性尺度,$ρ_s$是离子声音尺度,而$L_\perp$是湍流的外部尺度。当$β_e$和$ρ_s/L_\perp$足够小时,尺度$λ_{\rm D}$大于$ρ_s$,并且在$λ_{\rm D}$而不是在$ρ_s$处的能谱中存在中断。我们提出,由破坏产生的波动是循环的通量绳,这可能已经在太阳风中观察到。我们预测这些结构的振幅和半径之间的关系,并量化的重要性的中断过程中的级联的未中断的结构的填充分数和分数减少的能量包含在它们中的离子声标度$ρ_s$。这两种组分都强烈依赖于$β_e$,在较低的$β_e$下,破坏的结构变得更加重要。最后,我们预测,$λ_{\rm D}$和$ρ_s$之间的能谱是陡峭的比$k_\perp^{-3}$,当这个范围存在。这种陡峭的“过渡范围”有时会在太阳风湍流的短时间间隔内观察到。因此,无碰撞磁重联的发生可能会显著影响离子陀螺仪周围等离子体湍流的性质。
2017-10-12 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-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
Superdiffusion revisited in view of collisionless reconnection
利用粒子轨道分为等待轨道和爆发为位于底部的弹道运动(例如Lévy飞行和著名的$κ$分布),从基本统计观点重新检验了无碰撞空间等离子体(如磁层顶附近和磁尾中的等离子体)中的扩散概念。一个严格的推导产生一个反常的扩散系数随时间增加,从而描述超扩散。与普遍的看法相反,超扩散虽然比经典扩散快,但它是一个弱过程。系数的绝对值很小,这是由于等待统计中的异常碰撞频率与无穷小的二进制碰撞频率相比很大。我们提供了平行和垂直的扩散系数,确定时间增加的指数,确定的权力和$κ$二维扩散参考发表的数值粒子在细胞模拟,固定的范围内允许$κ$ s,并构建扩散系数和电阻规模之间的关系。此外,我们找到了一个表达式的异常碰撞频率从电子的赝粘度在重联,从而确定重联作为一个本地化的扩散过程中令人满意的协议与基本的物理概念。
2014-05-09 astro-ph.SR physics.space-ph
Nonlinear Explosive Magnetic Reconnection in a Collisionless System
半个多世纪以来,围绕磁重联引起的快速磁能耗散的争论一直是等离子体宇宙中的一个基本话题,不仅在地球的磁层中,而且在脉冲星磁层和磁星等天体中。最近,非热粒子加速和等离子体加热过程中的重联已被广泛研究,有人认为,快速的能量耗散可以发生碰撞的“薄”电流片,其厚度的顺序的粒子回旋半径。然而,对于厚度大于粒子回旋半径的“厚”电流片,如何发生快速的能量耗散是一个有趣的谜。在这里,我们证明,使用一个高分辨率的粒子在细胞中的模拟对等离子体,爆炸性的重联可以出现的惯性电阻率的增强,由于重联磁场和电流片的收缩的曲折粒子的磁化。此外,无论电流片的初始厚度如何,非线性爆炸重联的时间尺度都是Alfvén渡越时间的几十倍。
2021-05-28 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Ohm's Law, the Reconnection Rate, and Energy Conversion in Collisionless Magnetic Reconnection
本综述聚焦无碰撞等离子体,基于第一性原理动力学模拟与星载观测,探讨了广义欧姆定律中非理想电场打破冻结通量条件引发磁重联的机制,重联率的确定方法,以及扩散区能量转换的诊断与建模。
2024-06-02 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR
Three-Dimensional X-line Spreading in Asymmetric Magnetic Reconnection
利用大规模三维粒子模拟方法研究了强引导场下X线在非对称磁重联中的传播。用厚的离子尺度平衡电流片(CS)进行的模拟表明,X线在环境离子/电子漂移速度下扩展,明显低于基于引导场$V_{Ag}$的阿尔文速度。使用更薄的亚离子尺度CS进行的其他模拟表明,X线在$V_{Ag}$(Alfvénic扩展)处扩展,远高于周围物质的漂移。与动力学Alfvén波一致的Alfvénic信号发展和传播,导致CS变薄和延伸,然后导致重连开始。在信号传播方向上的连续重连开始表现为Alfvénic X线扩展。扩展速度对CS厚度的强烈依赖性和X线取向与无碰撞撕裂不稳定性是一致的。我们的模拟表明,当无碰撞撕裂生长足够强,在一个较薄的CS,$γ/Ω_{ci}\gtrsim\mathcal{O}(1)$,Alfvénic X线扩展可以发生。我们的结果与一些数值模拟和最近的磁层顶观测结果相比,毫不逊色。一个关键的影响是,磁层顶CS通常太厚,无法有效地进行阿尔夫维尼克X线扩展。
2019-07-03 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Energy Dissipation and Entropy in Collisionless Plasma
众所周知,从粒子碰撞的角度来看,无碰撞系统是无耗散的,因此熵守恒。另一方面,诸如磁重联和湍流等过程似乎将大规模的磁能转化为热量。本文研究了无碰撞等离子体的加热和扩散。耗散过程中讨论的各向同性和gyrotropic形式的流体熵。演化方程的熵推导出,它们揭示了机制,导致流体熵的变化。这些方程是通过多重联电流片的无碰撞粒子模拟验证的。除了以前的研究结果有关的压力张量,我们强调热通量的耗散过程中的作用。
2019-11-19 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Role of ion acoustic instability in magnetic reconnection
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)
本研究探讨了离子声不稳定性在磁重联中的作用,发现其主要效应是驱动离子加热,而非显著增加异常电阻率。
2025-05-13 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Reduced fluid-kinetic equations for low-frequency dynamics, magnetic reconnection and electron heating in low-beta plasmas
本文提出了一个低β等离子体中磁重联和低频动力学的极小模型。该模型结合了分析和计算的简单性与物理可实现性:它是一个严格的限制的陀螺动力学等离子体β的顺序的电子-离子的质量比。该模型包含碰撞,可用于碰撞和无碰撞重联制度。它包括回旋离子(不假设冷),并允许通过电阻率或电子惯性(无论哪个占主导地位)对磁场线进行拓扑重排。两个流体动力学耦合到电子动力学-电子不假定等温,并通过减少漂移动力学方程描述。因此,该模型允许的不可逆性和通过速度空间中的平行相混合的磁能转化为电子热。分析了各种形式的自由能之间的交换及其转化为电子热。它示出了如何所有相关的线性波和制度的撕裂不稳定性(无碰撞,半碰撞和完全电阻)恢复在我们的模型的各种限制。提出了一种有效的方法来模拟我们的方程数值,通过厄米表示的速度空间。结果表明,速度空间中的小尺度将形成,从而引起一个浅厄米空间谱,由此推断,对于稳态或足够慢的动力学,电子加热速率将保持有限的碰撞消失的限制。
2011-10-21 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Magnetic reconnection and topological trigger in physics of large solar flares
太阳耀斑可以通过多种观测方法观测和研究日冕高温强磁化等离子体中的{ \em磁重联}现象。对活动区磁场拓扑特性的分析表明,为了构造大规模爆发耀斑的模型,必须考虑{ \em拓扑触发}效应。拓扑触发器不是电阻不稳定性,其导致场配置的拓扑从重连前状态改变为重连后状态。相反,拓扑触发器是全局拓扑的快速变化,这决定了碰撞或无碰撞性质的快速重连。简要评述了与大耀斑有关的强磁场中无碰撞重联理论的研究现状和发展潜力。粒子加速被认为是在崩溃的重联所产生的磁陷阱。为了解释日冕X射线源的形成,在无碰撞近似下,同时考虑了费米加速和电子感应加速器机制。最后,重点讨论了太阳耀斑物理学中亟待解决的问题。
2009-01-29 astro-ph.HE astro-ph.SR
Scaling Theory of 3D Magnetic Reconnection Spreading
我们发展了三维(3D)有限范围磁重联在离面方向扩展的第一性原理标度理论。该理论解决了具有或不具有平面外(引导)磁场以及具有或不具有霍尔物理的系统。该理论再现了已知的传播速度和方向,有或没有引导场,将以前的知识统一在一个理论中。新的成果包括:(1)如果在重连区域和非重连区域之间的界面处感应出x线,则重连在特定方向上扩展,这由流出方向上的电场的平面外梯度控制。(2)反平行无碰撞重联的扩散机制是对流,而导场重联的扩散机制是磁场弯曲。我们证实了使用3D双流体和连续磁流体力学模拟的理论。(3)该理论解释了为什么反平行重联连续磁流体力学不蔓延。(4)模拟域的纵横比,与自由磁能,影响是否重联传播或对流与一个固定的x线长度。(5)我们进行模拟启动反平行无碰撞重联的压力脉冲,而不是一个磁扰动,发现传播是不变的,而不是如前所述的磁音速传播。研究结果提供了一个理论框架,为了解传播超出系统研究这里,是重要的应用程序,包括双带太阳耀斑和地球磁层重连。
2021-07-31 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Thermal-inertial effects on magnetic reconnection in relativistic pair plasmas
研究了考虑磁流体热性质和惯性性质的相对论对等离子体中的磁重联过程。我们发现,在Sweet-Parker和Petschek相对论的情况下,由于热惯性效应,都有一个增加的重联率,都满足因果关系。为了表征新的影响,我们定义了一个热惯性数,这是独立的相对论性的Lundquist数,这意味着重连可以实现,即使是消失的电阻率作为唯一的热惯性效应的结果。目前的模型对于相对论性无碰撞重联具有根本的重要性,因为它构成了获得重联速率的最简单的方法,比仅用电阻率获得的重联速率更快。
2014-07-07 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Fast magnetic reconnection in the plasmoid-dominated regime
提出了一个通过随机等离子体团链的电阻性磁重联的概念模型。全球重连率被证明是独立的Lundquist数。等离子体团中的通量分布符合平方反比定律。有人认为,有一个有限的概率出现异常大的等离子体团,这可能会破坏链(并可能负责可观察到的大突发事件,在太阳耀斑和太阳耀斑崩溃)。给出了从磁流体力学过渡到无碰撞状态的判据。
2010-08-19 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Magnetic reconnection as a driver for a sub-ion scale cascade in plasma turbulence
采用高分辨率二维混合动力学模拟方法,采用拉格朗日和欧拉两种互补方法以及不同的驱动机制,揭示了由磁重联触发的无碰撞等离子体湍流中亚离子尺度级联产生的新途径.模拟结果提供了清晰的数值证据,即在第一个磁重联事件发生后,无论MHD尺度下湍流级联的实际状态如何,在所谓的离子破裂以下的幂律能谱的发展都会发生。在这两个模拟中,重联介导的平行磁波动的小尺度能谱表现出一个非常稳定的谱斜率~-2.8,无论大尺度湍流级联是否已经完全发展。一旦达到准稳态湍流状态,总磁涨落的谱在MHD范围内趋于-5/3的谱指数,在亚离子尺度下趋于~-3。
2017-07-19 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Magnetic Reconnection and Associated Particle Acceleration in High-energy Astrophysics
本文综述了高能天体物理中磁重联的研究进展,涵盖磁流体与无碰撞重联动力学及粒子加速机制,并探讨了关键物理过程与前沿问题。
2024-04-20 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
On the Value of the Reconnection Rate
数值模拟一致地表明,在某些无碰撞区域中的重连速率可以很快,大约为$0.1 v_A B_u$,其中$v_A$和$B_u$是阿尔文速度和离子扩散区域上游的重连磁场。这个特定的值已经在不同条件下的无数数值模拟中得到了报道。然而,尽管经过数十年的研究,支撑这一特定价值的原因仍然是神秘的。在这里,我们提出了一个概述这个问题,并讨论了条件下,“0.1值”的实现。此外,我们解释了为什么这个问题应该解释的离子扩散区的长度。
2016-09-10 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Role of Z-pinches in magnetic reconnection in space plasmas
在无碰撞空间等离子体中,磁重联的一个普遍接受的假设是X点处磁场线的断裂。在实验室中,重联通常是在箍缩中研究的,电流通道嵌入扭曲的磁场中。没有一个空间等离子体中的磁重联模型同时考虑零点和箍缩。我们已经进行了一个三维结构中的磁重联的粒子在细胞模拟的零点,并在模拟过程中形成的Z箍缩沿螺旋零点的线。非螺旋零点比螺旋零点更稳定,并且与它们没有实质性的能量耗散。相反,捏缩中的湍流磁重联导致磁能以每离子陀螺周期约1.5%的速率衰减。在具有大比例螺旋零点的空间等离子体中,类似结构中的耗散是一种可能的情况。
2015-09-26 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.plasm-ph
Onset of secondary instabilities and plasma heating during magnetic reconnection in strongly magnetized regions of the low solar atmosphere
在一个2.5维多流体等离子体中性反应模型中,数值研究了太阳低层大气(距太阳表面约$300-800$ ~km)弱电离等离子体中不同空间尺度和不同高度的磁重联.我们考虑了强磁化等离子体($β\sim 6\% $)从无力的磁位形演化而来,并被扰动以初始化重联电流片的形成。在大尺度上,观察到产生的电流片进行二次“等离子体团”不稳定性。一系列不同尺度下的模拟结果显示了一个级联电流片形成过程,该过程终止于宽度约为2 m,长度为$\sim100$ ~m的电流片,对应于临界电流片纵横比为$\sim50$。我们还观察到,等离子体团的不稳定性是主要的物理机制加速磁重联在这个等离子体参数制度。在等离子体团不稳定性出现后,重联率急剧增加到$\sim$ 0.035,观察到与Lundquist数无关。这些特征与完全电离等离子体中的磁重联非常相似。在这个低$β$导场重联制度,重组和碰撞的影响被观察到有一个小的贡献重联率。模拟结果表明,在磁重联过程中,将稠密的弱电离光球等离子体加热到$2\times10^4$ ~K以上是困难的。然而,当重联磁场为$500$ ~G或更强时,低太阳色球层中的等离子体可以被加热到$3\times10^4$ ~K以上。
2018-10-25 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-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
Multi-hierarchy simulation of Riemann problem for reconnection exhausts
The University of Tokyo(东京大学)
本文通过多层级框架结合MHD与PIC模拟,研究再连接排气中的慢速激波形成与性质,发现即使在PIC域中抑制慢速激波形成,MHD域仍能形成接近开关极限的慢速激波,且该行为不受PIC域大小影响,进一步促进PIC域内等离子体各向同性。
2026-03-31 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Onset of Fast Magnetic Reconnection in Partially Ionized Gases
本文研究部分电离不可压缩等离子体中准定常二维磁重联。我们发现,当等离子体是弱电离和离子和中性粒子之间的碰撞是显着的,过渡到快速碰撞无重联由于霍尔效应在广义欧姆定律预计将发生在低得多的值的Lundquist数,相比,一个完全电离的等离子体的情况。我们估计,这些条件的快速重联满足分子云和原恒星盘。
2011-05-08 astro-ph.SR
Outstanding questions and future research of magnetic reconnection
该文梳理了无碰撞等离子体磁重联领域现存的核心未解问题,结合现有观测与模拟进展,从新观测、新模拟及跨学科路径三方面提出了未来研究方向。
2024-07-12 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.plasm-ph
Why does steady-state magnetic reconnection have a maximum local rate of order 0.1?
模拟结果表明,哈里斯型电流片的无碰撞稳态磁重联以0.1量级的速率进行,与耗散机制无关。我们认为,这个长期存在的难题是在磁流体动力学(MHD)规模的限制的结果。我们进行了缩放分析的重联率作为由上游磁场的开度角的函数,发现最大重联率接近0.2。预测比较有利的相对论性电子-正电子和非相对论性电子-质子重联的粒子在细胞模拟。事实上,模拟的重连率接近预测的最大值表明重连收益附近的最有效的状态允许在MHD尺度。最大值附近的速率对张开角相对不敏感,这可能解释了为什么重连在不同模型中具有类似的快速速率。
2016-11-23 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR
How Anomalous Resistivity Accelerates Magnetic Reconnection
湍流诱导的反常电阻率(AR)是否能促进无碰撞等离子体中的快速磁重联是几十年来争论的一个主题。最近的空间观测表明,重联率可能高于霍尔重联率,并且需要湍流耗散。在本文中,使用粒子模拟,我们提出了一个案例研究如何AR产生的布尼曼不稳定性加速磁重联。我们首先证明了薄电子流层中Buneman不稳定性产生的AR/阻力1)通过耗散电子束的动能耗散存储在电流层中的磁能; 2)由波耦合引起的非均匀阻力自发地破坏磁场,引起电子尺度上的脉冲快速非霍尔磁重联,平均速率达到0.6 $V_A$ .然后,我们表明,在三维磁重联的x-点周围的强电子束驱动的布尼曼不稳定性显着增强的磁能耗散。电子尺度的磁重联由x线周围的不均匀阻力驱动,增强了重联电场和面内垂直磁场。大约40%的释放的磁能被AR转换成电子热能,而50%的释放的磁能通过重联电场的加速转换成电子束的动能。增强的磁能量耗散由净坡印亭通量流入平衡。大约10%的释放的磁能是通过增强的坡印廷磁通流出而带出的。这些结果表明,具有足够强度和电子尺度不均匀性的AR可以显着加速磁重联。
2017-08-14 astro-ph.EP 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
Local analysis of fast magnetic reconnection
快速磁重联是由磁场线的拓扑结构在一个时间尺度上的变化所定义的,该时间尺度比拓扑结构守恒的理想演化时间尺度大约长一个数量级。快速重联是法拉第定律的一个内在属性,当演化的磁场非平凡地依赖于所有三个空间坐标时,并且通常被观察到-即使当允许拓扑断裂的效应任意小时。相关的电流密度只需要增加约10倍,并沿着磁场以薄而宽的带状流动。这些结果来自相邻的磁场线对的分离的变化,其在理想的演化中通常随时间呈指数增加,以及空间尺度的存在,低于该空间尺度,磁场线由于诸如电阻率的非理想效应而自由地改变它们的身份。传统的重连理论忽略了指数级的大变化,并依赖于电流密度达到比实际所需的指数级更大的幅度。在这里,磁场线的行为的分析在附近的任意选择的线被用来获得更精确和严格的结果的内在重联。无碰撞带电粒子的最大平行动能示出在一个通用的磁演化过程中,有一个指数增加的时间。
2022-04-22 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Flux-Rope Mediated Turbulent Magnetic Reconnection
提出磁绳介导的湍流磁重联新模型,强调局部相干磁结构与阿尔文视界,解释三维模拟中重联速率,适用于非零磁螺旋度情况。
2025-01-20 astro-ph.SR physics.plasm-ph
New Insights into Dissipation in the Electron Layer During Magnetic Reconnection
详细的比较报告之间的实验室观测的电子尺度耗散层附近的重连X线和直接的二维全粒子模拟。电子层的许多实验特征,如对离子质量的不敏感性,通过模拟再现;然而,层厚度比预测大约3-5倍。因此,领先的候选人2D机制的基础上无碰撞电子nongyrotropic压力是不足以解释所观察到的重联率。这些结果表明,除了剩余碰撞,3D效应在快速重联过程中的电子尺度耗散中起着重要作用。
2009-12-31 astro-ph.IM astro-ph.SR
Turbulence, Reconnection and Cosmic Rays in Galaxy Clusters
近年来,我们对磁湍流和磁重联的理解发生了重大变化,这反过来又使我们对宇宙射线扩散和加速有了更好的理解。目前的磁化湍流模型不再是特别的结构,而是经过数值检验的理论。在这篇简短的评论中,我们总结了会议上两次演讲中提出的主题,并简要介绍了这一广阔而迅速发展的领域。本文讨论了湍流如何降低星系团中无碰撞等离子体中粒子的有效平均自由程,并指出这使得MHD湍流描述适用于更宽的尺度范围。讨论了MHD湍流的性质及其与磁重联的关系。最后,我们综述了湍流如何通过二阶费米过程诱导粒子加速,以及湍流如何影响激波和重联区的一阶费米加速。
2011-08-10 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.SR