Multi-fluid approach to high-frequency waves in plasmas. III. Nonlinear regime and plasma heating
部分电离等离子体中高频波的多流体模型表明，线性区域中磁流体力学波的行为受到形成等离子体的不同物种之间的碰撞相互作用的严重影响。在这里，我们超越线性理论和研究大振幅波在部分电离等离子体中使用非线性多流体代码。众所周知，在完全电离的等离子体中，非线性阿尔文波会产生密度和压力扰动。这些非线性效应对于驻波比对于传播波更明显。通过数值模拟和解析近似，我们研究了离子和中性粒子之间的碰撞相互作用对非线性演化的影响。碰撞产生的摩擦会消耗一部分波能，这些波能转化为热量，从而提高等离子体的温度。作为一个应用程序，我们调查摩擦加热等离子体的物理条件类似于那些在太阳静止的突出。
2018-02-22 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Phase mixing of propagating Alfv{é}n waves in a single-fluid partially ionized solar plasma
本研究针对太阳大气加热问题，采用单流体近似研究部分电离等离子体中Alfvén波的相位混合阻尼，发现部分电离下阻尼长度更短，特定电离度范围的波可提供足够加热平衡宁静太阳色球辐射损失。
2023-11-06 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Large ion-neutral drift velocities and plasma heating in partially ionized coronal rain blobs
在本文中，我们提出了一个数值研究的动力学部分电离日冕雨滴。我们使用双流体模型进行高分辨率的二维模拟，考虑到等离子体中所含的带电粒子和中性粒子之间的碰撞相互作用。我们遵循冷等离子体凝结的演变，因为它通过一个等温的垂直分层的大气，代表了更热，更轻的日冕下降。我们研究了系统中存在的不同程度的碰撞耦合的后果。一方面，我们发现在团状物的致密核心处存在非常强的耦合，等离子体的带电和中性成分表现为单一流体，漂移速度可以忽略不计（几cm·s^-1）。另一方面，在斑点的边缘，耦合要弱得多，出现了较大的漂移速度（约为1 km s^-1）。此外，摩擦加热会导致在滴状物和电晕之间的过渡层处的温度大幅增加。我们第一次表明，这样大的漂移速度和温度的增强，可以开发作为一个结果，与日冕雨动力学的离子中性去耦。这可能导致来自日冕雨-日冕边界处的等离子体的增强发射，其具有过渡区温度。
2022-11-10 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Wave Conversion, Decay and Heating in a Partially Ionized Two-Fluid Magneto-Atmosphere
本文利用双流体射线理论研究了部分电离磁化等离子体中快慢波的转换与衰减，发现有限碰撞频率会降低同类模式透射、增强异类模式转换，并在模式转换区产生局部加热，对理解太阳色球层加热具有重要意义。
2023-03-03 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Ionization and transport in partially ionized multicomponent plasmas: Application to atmospheres of hot Jupiters
我们研究了部分电离多组分等离子体中的电离和输运过程。等离子体成分计算通过耦合质量作用定律的系统。电子输运性质由电子-离子和电子-中性输运截面决定。电子-电子散射的影响被认为是通过一个修正因子的电子-离子的贡献。基于这些数据，计算了电导率和热导率以及洛伦兹数。对于热导率，我们还考虑了中性粒子的平移运动以及解离、电离和复合反应的贡献。我们将我们的方法应用于由氢，氦和一小部分金属（Li，Na，Ca，Fe，K，Rb，Cs）组成的部分电离等离子体，这是热木星大气层的典型特征。我们目前的结果等离子体的组成和传输特性的密度和温度的函数，然后沿着典型的P-T曲线的外部热木星HD 209458 b。电导率分布允许修改与行星大气中的强风有关的欧姆加热功率。我们表明，最近的内部模型所建议的较高的温度可以提高电导率，从而欧姆加热功率的值足够大，以解释所观察到的HD 209458 b的膨胀。
2021-06-06 astro-ph.EP physics.plasm-ph
Viscous Heating and Instabilities in the Partially Ionized Solar Atmosphere
本文研究了部分电离太阳大气中粘度与磁扩散率的相互作用，发现平行和垂直粘度可阻尼波动、竞争等离子体加热，并与剪切和Hall扩散等机制共同引发多种粘性不稳定性。
2024-11-12 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Turbulent transport and heating of trace heavy ions in hot, magnetized plasmas
导出了低频磁化等离子体湍流中痕量重离子输运和加热的标度律，并与直接数值模拟进行了比较。湍流通量和加热对离子电荷和质量数的预测的依赖关系被发现同意与数值计算结果为固定和差分旋转等离子体。重离子动量输运被发现增加质量，重离子被发现优先加热，这意味着质量依赖的离子温度非常弱的碰撞等离子体和部分电离的重离子在强烈旋转的等离子体。
2012-07-21 physics.plasm-ph physics.space-ph
A Theory about Electric Current and Heating in Plasma
传统的MHD广义欧姆定律没有明确地给出完全电离等离子体中电流和电场的关系，从而产生了“磁冻结等离子体”、磁重联等意想不到的概念。本文通过求解平衡方程，给出了电子和离子速度的精确解，进而导出了完全电离等离子体中的电流。在忽略边界条件的情况下，当忽略外力时，垂直于磁场的平面内不存在电流。垂直于磁场的平面内的电场对电流没有贡献，等离子体在磁场上运动产生的感应电场对电流也没有贡献。感应电流的缺乏将保持空间中的磁场不受影响。垂直于磁场方向的等离子体体速度不是自由的，它是由电磁场和外力共同决定的。我们的结论是，完全电离等离子体的体积速度是不耦合的磁场。等离子体的运动不会改变空间的磁场，但等离子体会受到磁场的约束。由于受到磁场的约束，等离子体中同种粒子的相互碰撞和相互作用将等离子体的动能转化为等离子体的热能。由于垂直于磁场方向的电场不提供电流，因此磁场的变化会通过感应电场将能量直接转化为等离子体热能。等离子体的加热可以来自动能和磁场的变化。
2010-07-28 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Overdense microwave plasma heating in the CNT stellarator
在低场、低纵横比碳纳米管仿星器中，利用2.45 GHz微波加热获得了过密等离子体。在0模式中注入8kW的功率，或者在非常（X）模式中注入6.5kW的功率，测量到高于普通（O）模式截止密度四倍的密度。温度分布在等离子体边缘处达到峰值。这归因于在上混合谐振层处的X模式的碰撞阻尼。X模式通过隧道、模式转换或在壁和容器内线圈的偏振扰频反射之后到达该位置，而不管初始发射是在O模式还是X模式下。全波数值模拟证实了这一解释。此外，由于CNT等离子体在这些低微波功率水平下未完全电离，电子密度显示出随功率增加。还观察到（对于O模式发射）并讨论了对磁场强度的依赖性。
2017-08-09 physics.plasm-ph
Driven phase-mixed Alfvén waves in a partially ionized solar plasma
该研究采用单流体模型模拟部分电离色球等离子体，比较脉冲与连续驱动器下剪切 Alfvén 波的相位混合，揭示电离度、速度梯度及能量注入对耗散和加热的影响。
2025-06-10 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Propagation of waves in weakly ionized two-fluid plasmas. II. Nonlinear Alfvénic waves
Universitat de les Illes Balears（巴利阿里群岛大学）；Institut d’Aplicacions Computacionals de Codi Comunitari (IAC3)（社区代码计算应用研究所）
采用双流体模型研究霍尔电流和离子-中性粒子弹性碰撞对弱电离等离子体中线性/圆极化横波传播的影响，推导阻尼和加热率的解析表达式，并通过数值模拟揭示非线性密度扰动和整体流与有质动力及离子-中性相互作用能量耗散的关系。
2026-05-28 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Unified fluid-model theory of $\mathbf{E}\times\mathbf{B}$ instabilities in low-ionized collisional plasmas with arbitrarily magnetized multi-species ions
本文发展了一个统一的线性理论的局部交叉场等离子体不稳定性，如Farley-Buneman，电子热，离子热不稳定性，在碰撞等离子体与完全或部分非磁化的多物种离子。低电离、高耗散、弱磁化等离子体中的碰撞等离子体不稳定性在低地球电离层中起着重要作用，并且可能在其他行星电离层、恒星大气、彗星尾、分子云、吸积盘等中具有重要意义。碰撞等离子体不稳定性的宏观效应可能导致显著的加热，最初从光谱观测和相关建模中提出的效果。基于一个简化的五阶矩多流体模型，理论分析得到了热-Farley-Buneman组合不稳定性（TFBI）的一般线性色散关系。重要的极限情况进行了详细分析。分析表明，该模型的可接受的适用性的过程中的研究。与更精确的动力学模拟相比，流体模型模拟通常需要更少的计算机资源，因此，这种碰撞等离子体不稳定性线性理论方法的明显成功，使得使用最初为太阳和行星大气的大尺度建模而开发的全球流体代码来研究TFBI（及其可能的宏观效应）成为可能。
2023-01-30 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
Biermann Battery Powered by Resistive Heating Induced by Cosmic Ray Streaming
最近有人提出宇宙射线在早期宇宙中产生一个种子磁场。本文提出了宇宙射线产生磁场的另一种机制，即由宇宙射线流感生的电阻加热驱动的Biermann电池。这种机制是占主导地位的小规模，低温，强电离区，与其他先前提出的机制。由于宇宙射线预计将在第一批恒星死亡后被加速，因此这种机制可以在早期宇宙结构形成期间起作用。我们表明，它使种子磁场具有足够的强度，为后续发电机放大到微高斯水平在当前星系。
2022-07-27 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Non-Perturbative Solutions to the Vlasov-Boltzmann Equation for Weakly Ionized Plasmas
针对低温等离子体 EEDF 经典模型失效问题，通过重正化群技术推导 Vlasov-Boltzmann 方程的非微扰解，预测了不同极限下的 EEDF 形式，为等离子体自组织提供热力学基础并解释了实验数据坍缩现象。
2025-07-07 physics.plasm-ph
Multi-fluid simulations of chromospheric magnetic reconnection in a weakly ionized reacting plasma
本文首次对弱电离反应等离子体中色球磁重联进行了自洽多流体模拟。我们模拟了Harris电流片中的二维磁重联，数值模型包括离子-中性散射碰撞、电离、复合、光学薄辐射损耗、碰撞加热和热传导。在由此产生的撕裂模式重联中，中性流体和离子流体从重联位点的上游解耦，在重联区域中产生过量的离子，因此产生电离不平衡。在重联区的离子复合，结合Alfvénic流出，快速地从重联位点移除离子，导致快速重联速率独立于Lundquist数。除了允许快速重联，我们发现，这些非平衡的部分电离效应导致的非线性二次撕裂不稳定性的发病在较低的Lundquist数的值比已经发现在完全电离plasma.These模拟提供的证据表明，磁重联在色球可能是负责喷射状的瞬态现象，如针状和色球射流。
2012-10-05 astro-ph.SR physics.plasm-ph
On the Theory of Absorption of Sound Waves via the Bulk Viscosity in the Partially Ionized Solar Chromosphere
研究通过体积粘性机制解释日冕层声波阻尼，无需人工粘性或剪切粘性，证明体积粘性足以实现日冕加热。
2026-01-01 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Applications of Fast Magnetic Reconnection Models to the Atmospheres of the Sun and Protoplanetary Disks
本研究针对部分电离等离子体的磁重联特性，考察太阳大气部分电离层与原行星盘两种环境中快速重联的碰撞机制，揭示电流片演化过程及能量转化规律，解释了太阳日冕粒子加速与原行星盘红外谱线辐射的成因。
2024-05-14 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.plasm-ph
Development of supersonic plasma flows by use of a magnetic nozzle and an ICRF heating
高β超音速等离子体流在空间和聚变等离子体中的MHD现象中起着至关重要的作用。尽管磁化等离子体流动动力学研究的重要性日益增加，但关于快速流动等离子体的产生和控制的实验研究却很少。磁等离子体动力电弧发动机（MPDA）是产生超音速等离子体流的最有前途的装置之一，是一种具有较高比冲和较大推力的电推进装置。我们改进了MPDA的性能，使其能在高电离状态下产生具有跨音速和超音速马赫数的准定常等离子体流。为了控制MPDA排出的等离子体流的离子声马赫数，有两种方法：一种是使用磁性拉瓦尔喷嘴将热能转换为流动能量，另一种是离子加热和发散磁性喷嘴的组合系统。前者是一种类似于可压缩空气流的方法，后者是在载人行星际航天任务的先进推进器中提出的方法。我们阐明了各种形状的磁场配置下的等离子体流动特性。结果表明，在发散磁喷管场中，等离子体流的马赫数可增加到近3。本文报道了流场改善的最新结果：一个是在MPDA的枪口区域观察到的磁拉瓦尔喷嘴效应，另一个是使用螺旋天线对超音速等离子体的ICRF（离子回旋频率范围）加热。
2004-10-22 physics.plasm-ph
Particle-in-cell simulations of laser-plasma interactions at solid densities and relativistic intensities: the role of atomic processes
强激光与固体相互作用的直接研究仍然是一个巨大的挑战，因为许多耦合的物理机制，如直接激光加热，电离动力学，带电粒子之间的碰撞，静电或电磁不稳定性，仅举几例。在这里，我们提出了一个完整的粒子模拟（PIC）框架，这使我们能够计算激光固体相互作用的“第一性原理”的方式，几乎涵盖了“所有”的耦合物理机制。除了上述机制，数值自加热的PIC模拟，这通常出现在固体密度等离子体，也很好地控制所提出的“分层密度”方法。这种方法可以很容易地实现到国家的最先进的PIC码。特别是，在相对论强激光-固体相互作用中，在大尺度预形成等离子体的存在下，电子加热/加速的重新研究的PIC代码。结果表明，碰撞阻尼（即使它是非常弱的）可以显着影响电子加热/加速在前面的目标。此外，当固体被剧烈加热和电离时，韧致辐射将增强$2\sim3$倍。对于所考虑的情况下，其中激光强度为$10^{20}\ \text{W}/\text{cm}^2$和预等离子体在固体靶的前面的尺度长度为$10\ μ\text{m}$，碰撞阻尼耦合电离动力学和韧致辐射被示出降低“截止”电子能量由$25\%$。此外，欧姆加热产生的电阻性电磁场也起着不可忽略的作用，必须考虑到真实的激光-固体相互作用。
2017-03-15 physics.plasm-ph
Mixing, heating and ion-neutral decoupling induced by Rayleigh-Taylor instability in prominence-corona transition regions
本文用部分电离等离子体双流体模型模拟日珥—日冕过渡区RTI，揭示磁场构型对离子-中性体解耦、重力能释放、摩擦与黏性加热及观测解释的影响。
2024-02-27 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Two-fluid Modeling of Acoustic Wave Propagation in Gravitationally Stratified Isothermal Media
为了研究部分电离等离子体中的声波传播和相应的能量沉积，我们使用了一个双流体计算模型，将中性粒子和带电粒子（电子和离子）作为两个单独的流体。这个双流体模型考虑了离子与中性粒子的碰撞、电离和复合，使我们能够研究等离子体中非耦合离子与中性粒子之间的碰撞和反应相互作用。在本数值模拟中，初始密度被指定为达到流体静力学平衡，并且作为比较，化学平衡也被考虑以提供不同于典型流体静力学平衡剖面的密度剖面。然后施加外部速度驱动器以产生单色声波。众所周知，在重力分层等离子体中，由于密度呈指数下降，向上传播的声波变陡，并且它们在非线性区域加热等离子体，其中动能被冲击波和碰撞相互作用耗散。特别地，由当前初始化学平衡产生的较低电离分数显著地提高了加热效率。此外，电离过程吸收了大量的能量，并且在考虑电离和复合的同时，离子和中性粒子之间的去耦也得到了增强。因此，不考虑电离和复合的模拟可能会高估整体加热效应，但也低估了能量耗散。结果还表明，一个更准确的电离和复合模型可能是必不可少的，以改善部分电离等离子体的建模。
2021-04-23 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Electron Heating in a Relativistic, Weibel-Unstable Plasma
采用粒子模拟方法，对两束初始未磁化的相对论逆流均匀离子-电子等离子体束的动力学过程进行了二维数值模拟。结果表明，电流细丝，这是由于韦伯不稳定性的形式，发展一个大规模的纵向电场的方向相反的电流所携带的细丝的理论预测。电流丝中快速移动的离子由于该纵向电场而减速。相同的纵向电场，这是部分感应和部分静电，被确定为电流丝中的电子加速的主要来源。横向电场虽然大于纵向电场，但在加热电子方面所起的作用较小，这与先前的权利要求相反。研究发现，在一维中，电子被强烈磁化，并被\textit{not}加速超过其初始动能。相反，电子的加热通过灯丝的弯曲和破裂而增强，这释放了否则将被捕获在单个灯丝内的电子，并且因此根据楞次定律经由感应减缓了韦伯不稳定性的发展（即，磁场增长）。在2D模拟中，电子被加热到离子初始动能的大约四分之一。最大磁能约为4%，在模拟结束时衰减到不到1%。大部分电子的加热发生在纵向电场仍在增长时，而只有一小部分加热是随后的磁场衰减的结果。离子被发现逐渐减速，直到模拟结束时，他们保留的残余各向异性小于10%。
2015-01-22 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Energy Transport in a Shear Flow of Particles in a 2D Dusty Plasma
进一步研究了激光驱动二维尘埃等离子体中的粘性加热和热传导，观察到了粒子的剪切流动。视频成像和粒子跟踪产生粒子速度数据，我们将其转换为连续数据，呈现为三个空间分布：平均粒子速度（即，流速）、均方颗粒速度和颗粒速度的均方波动。这些配置文件和它们的衍生物允许空间分辨的能量和动量连续性方程，我们使用的两个目的中的每一项的确定。首先，通过平衡这些项，使得它们的总和（即，当改变作为自由参数的粘度$η$和热导率$κ$时，我们在同一实验中同时获得了$η$和$κ$的值。其次，通过比较粘性加热和热传导项，我们得到了粘性加热的空间分辨表征。
2012-10-06 cond-mat.soft physics.flu-dyn physics.plasm-ph
