Cyclotron maser emission from power-law electrons with strong pitch-angle anisotropy
具有幂律谱的高能电子是天体物理中最常见的观测对象。本文研究了幂律电子的电子回旋脉塞发射，其中强调了强俯仰角各向异性。本文提出的电子分布函数可以描述各种类型的俯仰角各向异性。结果表明，ECME的辐射特性，包括辐射的增长、传播和频率特性，在很大程度上取决于电子俯仰角各向异性的类型，不同的波模对电子俯仰角的依赖性不同.特别地，X2模式的最大增长率相对于电子分布达到峰值的电子节距角余弦$μ_0$迅速减小，而其他模式（X1，O1，O2）的增长率在减小之前随着$μ_0$的增大而初始增大。此外，O模式以及X模式可以是最快的增长模式，不仅在等离子体参数，但也类型的电子俯仰角分布。这一结果是对最近关于幂律电子低能截止驱动ECME的研究的重要扩展，其中X模式通常是最快的生长模式。
2016-03-07 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Revisiting the Ulysses electron data with a triple fit of velocity distributions
由于它们的独特性，太阳风数据仍然可以为我们提供关于太阳风中等离子体种群特性的有价值的新线索，特别是关于它们随日面坐标的变化。我们重新审视了1990年至2008年初期间由SWOOPS仪器在船上的ESTA航天器上报告的电子数据。这些观察揭示了速度分布的热平衡，各向异性（例如，平行漂移或/和不同的温度，平行和垂直于背景磁场），以及具有不同性质的准热和超热粒子群。我们应用二维非线性最小二乘拟合程序，使用Levenberg-Marquardt算法，同时拟合速度电子数据（高达几千电子伏）与三重模型相结合的三个不同的人口：更多的中央准热核和超热晕，和第二超热人口主要由电子strahl（或光束人口与一个主要的场对准漂移）。最近推出的$κ$ -食谱是用来描述每个组件与以下各向异性分布函数（食谱）：麦克斯韦，正则化卡帕，广义卡帕分布。最佳拟合量化的温度各向异性被认为是表征电子布居的主要参数的案例研究。与核心相比，两个超热群体都表现出更高的温度各向异性，随着电子能量的增加而略有增加。
2022-05-12 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Effects of electron temperature anisotropy on proton mirror instability evolution
质子镜模是磁鞘中常见的大振幅非传播结构。有人认为，电子温度各向异性可以提高质子镜不稳定性的增长率，而留下的质子回旋不稳定性在很大程度上不受影响，因此导致质子镜不稳定性占主导地位的质子回旋不稳定性在地球的磁鞘。在这里，我们使用粒子模拟研究电子温度各向异性对质子镜不稳定性演化的影响。与假设相反，电子温度各向异性导致电子哨声不稳定性的兴奋。我们的研究结果表明，电子哨声不稳定性的增长速度比质子镜不稳定性快得多，并迅速消耗电子的自由能，所以没有电子温度各向异性留下显着影响质子镜不稳定性的演变。
2016-02-10 physics.plasm-ph physics.space-ph
On the role of solar wind expansion as a source of whistler waves: scattering of suprathermal electrons and heat flux regulation in the inner heliosphere
使用EB-iPic 3D程序研究了太阳风膨胀在产生哨声波中的作用，该程序在全动力学半隐式方法中自洽地模拟了太阳风膨胀。模拟初始化的电子速度分布函数建模后，帕克太阳探测器的观测在其第一近日点在0.166 AU，包括一个致密的核心和反向阳strahl。该分布函数相对于动力学不稳定性是初始稳定的。膨胀驱动太阳风进入连续的制度，哨声热通量的不稳定性被触发。这些不稳定性产生的向日哨声波最初的特点主要是斜传播相对于行星际磁场。激发波通过共振散射过程与电子相互作用。结果，strahl俯仰角分布变宽，其漂移速度减小。Strahl电子在垂直于磁场的方向上散射，形成电子晕。在稍后的阶段，共振电子消防管不稳定性被触发，并进一步影响电子温度各向异性的太阳风扩大。波粒相互作用过程伴随着太阳风热通量的大幅减少。模拟的哨声波在波的频率，振幅和传播角度方面与观测定性一致。我们的工作对太阳风中斜向和平行哨声波的观测结果提出了一种解释。我们的结论是，太阳风膨胀时，必须考虑到试图解释在不同的日心距离的动力学过程。
2021-07-01 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
The In Situ Signature of Cyclotron Resonant Heating
磁化湍流的耗散是描述日冕和风等天体物理环境中加热和能量传递的重要范例;然而，耗散和加热背后的特定无碰撞过程仍然相对不受测量的约束。遥感观测表明，在日冕中存在强烈的温度各向异性，这与回旋共振加热相一致。在太阳风中，原位磁场测量揭示了回旋波的存在，而测得的离子速度分布函数暗示了回旋共振的活跃存在。在这里，我们提出了帕克太阳探测器的观测，连接存在的离子回旋波直接共振阻尼在所观察到的质子速度分布的签名。我们发现，所观察到的回旋波人口相空间分布的共振准线性扩散和陡峭的湍流谱在离子回旋共振尺度预测的平坦化相一致。在测得的速度分布函数，回旋共振平坦较弱，分布几乎均匀地受到离子回旋波阻尼，而不是发射，表明分布可以阻尼观察到的波人口。这些结果与太阳风中的主动回旋加热是一致的。
2022-11-29 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Roles of Fast-Cyclotron and Alfven-Cyclotron Waves for the Multi-Ion Solar Wind
利用等离子体波的线性Vlasov理论和共振波-粒子相互作用的准线性理论，研究了低β多离子等离子体中快波和Alfven波的色散关系和电磁场起伏。它们在加热和加速太阳风通过朗道和回旋共振的可能作用进行了量化。我们假设：（1）低频阿尔芬波和快波具有相同的频谱形状和相同的功率谱密度的幅度;（2）由于湍流级联，这些波最终达到离子回旋频率;（3）动力学波-粒子相互作用为太阳风提供动力。α粒子的存在，在一个占主导地位的质子/电子等离子体可以触发之间的线性模式转换斜快哨声和混合α质子回旋波。快回旋波经历α和质子回旋共振。快回旋波中的α回旋共振比阿尔芬回旋波中的强得多。对于α回旋共振，在相同的波传播角θ下，特别是在$80^\circ$ < θ< $90^\circ$时，倾斜快回旋波比相应的阿尔芬回旋波具有更大的左手电场波动、更小的波数、更大的局部波幅和更大的可调能力。当阿尔芬回旋加速器或快回旋加速器波存在时，α粒子是主要的能量接受者。从α粒子到质子的择优跃迁可以通过自洽演化的波粒相互作用由α粒子的速度差和温度各向异性进行自调制。因此，快回旋波作为线性模式耦合的结果是一个潜在的重要机制，优先的次要离子在主加速区的太阳风。
2012-03-11 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Non-thermal plasma density redistribution in planetary magnetospheres due to ion-cyclotron waves
Universidad de Chile（智利大学）；Universidad Adolfo Ibáñez（阿道夫·伊巴涅斯大学）
研究揭示离子旋磁波驱动的等离子体密度再分布，非热等离子体特性在低β环境中显著影响非线性响应，强调其在多面行星磁层建模中的重要性。
2026-07-08 physics.space-ph
Estimated Heating Rates Due to Cyclotron Damping of Ion-scale Waves Observed by Parker Solar Probe
本文利用 PLUME 色散求解器分析 PSP 观测的离子尺度波，发现 20.37% 观测时段存在瞬态离子回旋波，并估计其对质子的显著耗散可解释太阳风质子温度及各向异性增强。
2024-08-10 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Heavy Ion Acceleration by Super-Alfvenic Waves
提出了多离子种类等离子体中超Alfvénic（SPA）波的产生机制，并讨论了与之相关的重离子加速过程。SPA波由于其高的相速度而具有大的波电场，因此被认为在粒子加速中起重要作用。它表明，通过使用全粒子模拟，大振幅质子回旋波，激发由于质子温度各向异性，非线性不稳定SPA波通过参数衰减不稳定性的三个组成部分组成的等离子体中的电子，质子，和$α$粒子。同时，$α$回旋波通过另一种衰变不稳定性被激发。预加速的$α$粒子与两个子波（SPA波和$α$回旋波）同时共振，并且它垂直于环境磁场被进一步加速。该过程可以在天体物理环境中工作，其中发生足够大的低质量离子的温度各向异性。
2019-12-19 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.space-ph
Ion Heating in Inhomogeneous Expanding Solar Wind Plasma: The Role of Parallel and Oblique Ion-Cyclotron Waves
日冕洞的遥感观测表明，重离子比质子热，并且它们的温度是各向异性的。对快速太阳风流的现场观测为湍流阿尔文波谱、左旋极化离子回旋波和He $^{++}$ -太阳风等离子体中的质子漂移-提供了直接证据，这种漂移可通过离子的共振吸收和垂直加热产生温度各向异性。此外，预计太阳风在接近太阳的尺度上是不均匀的。用2.5维混合程序研究了非均匀等离子体中太阳风离子的加热。我们包括膨胀的太阳风在一个不均匀的等离子体背景下，结合的影响的湍流波谱Alfvénic波动和初始离子质子漂移。我们研究了这些效应对垂直离子加热和冷却的影响，以及对非均匀背景风中磁涨落谱的影响。我们发现，在等离子体中的不均匀性导致增强加热相比，均匀的太阳风，并在太阳风等离子体的斜波的显着功率的产生。膨胀引起的冷却效应对于超阿尔夫文漂移并不显著，并且当我们包括不均匀的背景密度时进一步减弱。我们重现离子温度各向异性观察和以前的模型，这是目前无论垂直冷却由于太阳风膨胀。我们的结论是小尺度的不均匀性，在内部日光层可以显着影响共振波离子加热。
2014-09-30 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Effects of alpha-proton differential flow on proton temperature anisotropy instabilities in the solar wind: Wind observations
等离子体动力波和α质子差流是太阳风演化中的两个重要课题。利用2005-2015年的Wind资料，研究了质子回旋频率附近电磁回旋波（ECW）的产生与α-质子差流Vd的方向的关系。当Vd由反向阳方向旋转到向阳方向时，ECW的出现率以及左旋（LH）极化ECW的百分比显著降低。特别是，它示出的主导偏振的变化从LH偏振的右手偏振在旋转过程中。对质子和α粒子参数按Vd方向排序的研究进一步说明，α质子差流的大动能对应着ECW的高发生率。这些结果与理论预测的α-质子差流对质子温度各向异性不稳定性的影响是一致的。
2019-08-21 physics.space-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
Instabilities Driven by the Drift and Temperature Anisotropy of Alpha Particles in the Solar Wind
研究了太阳风中α粒子的微分流和温度各向异性导致平行传播的Alfvén/离子回旋（A/IC）波和快磁声/哨声（FM/W）波不稳定的条件.我们专注于$w_{\parallel α} \gtrsim 0.25 v_{\mathrm A}$的极限，其中$w_{\parallel α} $是平行α粒子的热速度和$v_{\mathrm A}$是阿尔文速度。我们推导出这些波的不稳定阈值的解析表达式，例如，最小不稳定α粒子束速度如何取决于$w_{\parallel α}/v_{\mathrm A}$、α粒子温度各向异性程度和α与质子温度比。我们验证我们的分析结果，使用数值解的完整的热等离子体色散关系。与以前的工作一致，我们发现，温度各向异性允许A/IC波和FM/W波变得不稳定，在显著较低的值的α粒子束速度$U_α$比在各向同性温度的情况下。同样，相对于$U_α=0$的情况，差流降低了激发A/IC或FM/W波所需的最小温度各向异性。我们讨论了我们的结果的相关性，α粒子在太阳风近1 AU。
2013-08-06 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
The Electron Temperature and Anisotropy in the Solar Wind. I. Comparison of the Core and Halo Populations
估计太阳风粒子的温度及其各向异性对于理解这些偏离热平衡的起源以及它们的影响是特别重要的。在没有高能事件的情况下，电子的速度分布揭示了一种双重结构，具有热（麦克斯韦）核和超热（卡帕）晕。本文提出了一个详细的观测分析，这两个组件，提供它们的温度和温度各向异性的估计和解码任何潜在的相互依存关系，它们的属性可能表明。本研究中使用的数据集包括在日心距离从0.3到超过4~AU的扩展范围内的黄道上的三个任务检测到的超过120 $\,$ 000个事件。核心和晕温度的反相关性与Kappa模型的径向演化一致，澄清了以前观测分析中的一个明显矛盾，并提供了有关Kappa分布种群温度的有价值的线索。然而，这两种组分表现出明显的趋势，在相同的方向上偏离各向同性，这似乎证实了存在对两种组分具有相似影响的机制，例如，太阳风的膨胀，或者是粒子的加热。另一方面，存在的等离子体状态与反相关的各向异性的核心和晕人口表明这些组件的动态相互作用，介导的，最有可能的，由各向异性驱动的不稳定性。
2016-02-26 astro-ph.SR physics.space-ph
The three-dimensional evolution of ion-scale current sheets: tearing and drift-kink instabilities in the presence of proton temperature anisotropy
我们提出了第一个三维混合模拟的离子尺度电流片的演变，与温度各向异性和相关的动力学不稳定性的撕裂不稳定性和粒子加热的增长的作用的调查。我们确认的离子回旋和消防水龙带不稳定性，以提高或抑制重联的能力，分别。模拟结果表明，持久的三维结构的出现，包括补丁重联网站和窄带漂移扭结不稳定性，抑制重联薄电流片与弱导场的快速增长。还讨论了太阳风电流片三维演化的潜在观测特征。我们的结论是动力学不稳定性，所产生的非麦克斯韦离子种群，是显着的三维电流片的演变，和二维的研究加热率的重联因此可能高估的能力薄，离子尺度的电流片加热的太阳风重联。
2014-11-17 physics.plasm-ph physics.space-ph
Modeling complex plasma instabilities in space plasmas - Three-component electron formalism of heat-flux instabilities
Ruhr-Universität Bochum（波鸿鲁尔大学）；KU Leuven（荷语鲁汶大学）；Comisión Chilena de Energía Nuclear（智利核能委员会）；Universidad Andres Bello（安德烈斯贝略大学）；University of Maria Curie-Skłodowska（玛丽亚·居里-斯克沃多夫斯卡大学）
本文研究了空间等离子体中热流不稳定性，通过三组分电子模型揭示了等离子体不稳定性机制，展示了三组分模型在热流不稳定性分析中的有效性。
2026-04-07 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Beam-driven ECH waves: A parametric study
电子回旋谐波（ECH）波在驱动漫射极光中起着重要作用，漫射极光占输入电离层的粒子能量的75%以上。磁层等离子体中的ECH波一直被认为主要是由行星偶极子场中自然产生的损耗锥各向异性（速度-空间梯度）激发的。然而，最近的THEMIS观测表明，电子束也可以激发地球磁尾中的这种波。环境和电子束等离子体条件下，电子束激发可以发生是未知的。这些条件的知识将使我们能够进一步探索这种激发机制的相对贡献ECH波散射的磁层电子在地球和外行星。使用热等离子体色散关系，我们解决了光束驱动的ECH波的性质，并进行全面的参数调查这种不稳定性。我们发现，增长是由束电子回旋共振的第一和更高的订单。我们还发现，这些波是不稳定的等离子体条件下的范围很广。生长速率随束流密度、束流速度和热电子温度的增加而增加;随束流温度和束流温度各向异性、热电子密度和冷电子密度和温度的增加而减小。这种情况在地球的磁尾比比皆是，在那里，磁层电子被向地对流和磁重联加热，与较冷的电离层电子共存。
2021-04-05 physics.plasm-ph physics.space-ph
On the generation mechanism of electromagnetic cyclotron waves in the solar wind: statistical results from Wind observations
在太阳风中经常观测到质子回旋频率附近的电磁回旋波，但其产生机制仍是一个悬而未决的问题。基于2005年$-$ 2015年的Wind资料，对ECW发生的等离子体特征进行了统计分析。研究了质子温度各向异性（$T_\perp/T_\parallel$）和质子平行β（$β_\parallel$）的概率密度分布（PDDs），其中$\perp$和$\parallel$分别指垂直和平行于背景磁场的情况.的PDD依赖于太阳风的类型以及波的偏振，并与左手（LH）偏振的ECW表现出相当大的差异，从周围的太阳风的PDD。在（$β_\parallel$，$T_\perp/T_\parallel$）空间中LH ECW发生率的分布呈现出随质子温度各向异性增大而增大的趋势。当使用$T_\perp/T_\parallel > 1$时，发生率最大的$β_\parallel$接近0.1，而当使用$T_\perp/T_\parallel < 1$时，发生率最大的$β_\parallel$接近1。具有大动能的α $-$质子微分流的存在对应于更高的发生率以及LH极化的ECW的主导。基于这些观察和现有的理论，我们提出，质子回旋和平行消防水龙带的不稳定性与α $-$质子差流的影响可能是负责本地生成的LH ECW在太阳风。右手电子回旋波的产生机制似乎是复杂的，需要在未来的研究中进行更多的讨论。
2018-12-13 physics.space-ph
MMS Observations of Beta-Dependent Constraints on Ion Temperature-Anisotropy in Earth's Magnetosheath
太阳风中的质子（电离氢）经常表现出垂直于和平行于等离子体背景磁场的不同温度（$T_{\perp p}$和$T_{\parallel p}$）。许多行星际太阳风的先前研究表明，随着等离子体β（$β_{\parallel p}$）的增加，观察到的温度各向异性（$R_p\equiv T_{\perp p}\,/\,T_{\parallel p}$）值的范围变窄。传统上，这种效果已被归因于动力学微观不稳定性的行动。这项研究是第一次使用数据的磁层多尺度任务（MMS），探讨这种$β_{\parallel p}$依赖的限制$R_p$在地球的磁鞘。这些数据在$(β_{\parallel p},R_p)$平面上的分布显示了对$R_p>1$和$R_p<1$的限制。本文用线性伏拉索夫理论计算了离子回旋不稳定性、镜面不稳定性、平行水龙带不稳定性和平行水龙带不稳定性的等增长率等值线。这些不稳定性阈值紧密对齐的数据分布的轮廓，这表明磁鞘中的离子温度各向异性的极端的不稳定性的强关联。潜在的不稳定性调节温度各向异性进行了讨论。
2018-06-23 astro-ph.SR physics.space-ph
Bridging hybrid- and full-kinetic models with Landau-fluid electrons: I. 2D magnetic reconnection
磁重联（MR）在许多不同条件下的等离子体动力学中起着重要作用，从空间和天体物理环境到实验室设备。来自太空任务的高分辨率原位测量允许非常详细地研究自然发生的MR过程。除了直接测量，数值模拟在研究MR的基础物理学中起着关键作用。选择适当的等离子体模型用于数值模拟，同时也要兼顾计算成本，对于有效解决问题至关重要。我们考虑一个新的等离子体模型，包括一个精致的电子响应内的混合动力学框架（动力学离子，流体电子）。在何种程度上，这个新的模型可以重现全动力学描述的二维MR，特别是专注于其鲁棒性在非线性阶段，进行评估。我们进行2D模拟MR与中等引导场通过三种不同的等离子体模型：一个混合的弗拉索夫-麦克斯韦模型与各向同性，等温电子，一个混合的弗拉索夫-朗道流体（HVLF）模型的各向异性电子流体配备朗道流体封闭，和一个全动力学的。当相比，全动力学的情况下，HVLF模型有效地再现MR的主要功能，以及相关的电子微观物理和质子动力学的反馈的几个方面。这包括MR的全局演化和所谓的电子扩散区域内发生的局部物理，以及物种压力各向异性的演化。特别是，各向异性驱动的不稳定性（如消防水龙带，镜子，回旋不稳定性）在调节电子各向异性在MR的非线性阶段发挥了相关的作用。正如预期的那样，HVLF模型捕捉所有这些功能，除了电子回旋不稳定性。
2021-08-16 physics.plasm-ph physics.space-ph
Limits on Alpha Particle Temperature Anisotropy and Differential Flow from Kinetic Instabilities: Solar Wind Observations
先前的研究表明，观测到的太阳风中质子和α粒子的温度各向异性受到压力各向异性驱动的不稳定性（如阿尔文/离子回旋（A/IC）和快磁声/哨声（FM/W）不稳定性）的理论阈值的限制。在这封信中，我们使用{ \em Wind}航天器的法拉第杯提供的长时间原位测量来研究由于A/IC和FM/W不稳定性对α质子微分流速和α粒子温度各向异性的组合约束。我们发现，大多数的数据被限制在参数空间的A/IC和FM/W波是稳定的或具有极低的增长率的区域内。在少数观察到的情况下，其中的A/IC（FM/W）的不稳定性的增长率是比较大的，我们发现相对较高的值$T_{\perpα}/T_{\perp p}$（$T_{\parallelα}/T_{\parallel p}$）时，α-质子微分流速是小的，其中$T_{\perpα}$和$T_{\perp p}$（$T_{\parallelα}$和$T_{\parallel p}$）是α粒子和质子的垂直（平行）的温度。我们推测，这一观察到的功能可能会出现从优惠α粒子加热，可以驱动α粒子超出不稳定阈值。
2013-09-19 astro-ph.SR physics.space-ph
Proton Temperature Anisotropy Across Interplanetary Shocks: A Statistical Analysis with WIND observations
University of Alabama in Huntsville（亨茨维尔阿拉巴马大学）；Center for Space Plasma and Aeronomic Research (CSPAR)（空间等离子体与天文研究中心）
研究行星际激波对质子温度各向异性的影响，通过统计分析发现激波几何、压缩和距离影响各向异性，揭示非绝热过程的重要性及不稳定性调节机制。
2026-04-02 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.geo-ph
Quasilinear Consequences of Turbulent Ion Heating by Magnetic Moment Breaking
从冕洞出来的快速太阳风很可能被磁流体动力学湍流的耗散加热和加速，但导致观测所需的垂直离子加热的具体动力学机制还不清楚。一个有前途的机制已经提出了由Alberran等人。（2010），在本文中，我们称之为“磁矩破碎”（MMB）。如目前所制定的，MMB耗散仅对离子垂直运动起作用，并且不影响它们的平行温度。因此，MMB机制本身产生的冕洞质子分布是不稳定的离子回旋各向异性不稳定性。这种准线性不稳定性预计将比非线性湍流级联更快地运行，将离子散射到平行方向并产生准平行传播的离子回旋（IC）波。为了研究这种不稳定性对MMB加热质子的影响，我们构建了一个具有冕洞性质的质子均匀模型。使用一个简化版本的共振回旋相互作用，我们加热质子的MMB过程，并瞬间将它们散射到较低的各向异性，同时自洽地产生平行传播的IC波。我们提出了几个说明性的案例，发现MMB机制所暗示的极端各向异性仅限于合理的值，但Klein & Killeran（2016）推导的质子分布的独特形状并没有保持。我们还发现，这些组合的过程可以导致比单独的MMB加热更高的粒子介电常数。这些准线性的后果应该遵循任何动力学机制，主要是增加垂直离子温度在无碰撞等离子体。
2018-12-12 physics.space-ph
Parallel-propagating Fluctuations at Proton-kinetic Scales in the Solar Wind are Dominated by Kinetic Instabilities
我们使用磁螺旋度来解释质子动力学尺度下的太阳风波动。对于第一次，我们分开的贡献螺旋度波动传播的角度准平行和倾斜的本地平均磁场，$\mathbf{B}_0$。我们发现准平行涨落的螺旋度与质子温度各向异性不稳定性和$α$粒子与质子之间存在相对漂移驱动的Alfvén离子回旋和快磁声哨声模式一致。我们还发现斜向涨落的螺旋度对质子温度各向异性的依赖性很小，并且与各向异性湍流级联的涨落一致。我们的结果表明，在质子动力学尺度的平行传播的波动在太阳风的质子温度各向异性不稳定性，而不是湍流级联占主导地位。我们还提供了证据表明，在这些尺度上的波动行为是独立的起源和宏观性质的太阳风。
2019-10-15 physics.plasm-ph physics.space-ph
Spontaneous Magnetic Fluctuations and Collisionless Regulation of Turbulence in the Earth's Magnetotail
在实验室、空间和天体物理学等离子体物理中，最基本和最具挑战性的问题是理解几乎无碰撞的等离子体向准稳态的弛豫过程，以及电磁等离子体湍流的合成状态。最近，有人认为，太阳风等离子体$β$和温度各向异性观测可能受到动力学不稳定性的调节，如离子回旋，镜，电子回旋和消防水龙带不稳定性;磁波动观测与波动耗散定理的预测是一致的，甚至远低于动力学不稳定性阈值。在这里，使用原位磁场和等离子体测量的THEMIS卫星任务，我们表明，这种调节似乎也发生在地球的磁尾等离子体片的离子和电子尺度。不管太阳风和磁尾环境之间的明显差异，我们的研究结果表明，自发波动和它们的无碰撞调节是空间和天体物理等离子体的基本特征，从而表明该过程是普遍的。
2021-10-26 astro-ph.EP physics.plasm-ph physics.space-ph
Wave excitation by energetic ring-distributed electron beams in the solar corona
本文分析了中性无电流日冕等离子体中中等相对论性电子束沿磁场传播时所激发的波的性质。这些等离子体受到束流和电子回旋脉塞（ECM）的不稳定性驱动的环形束电子分布在平行和垂直于环境磁场的方向上的正动量梯度，分别。为了探索自洽的相关动力学过程，进行了2.5维全动力学粒子模拟（PIC）。为了量化不同日冕条件下激发波的性质，我们研究了它们的能量和极化对环形束电子密度和磁场的依赖性。通常，静电波支配波的能量学，并且非线性波是普遍存在的。在弱磁化等离子体中，其中电子回旋频率$ω_{ce}$低于电子等离子体频率$ω_{pe}$，难以产生具有频率$ω> ω_{pe}$和小折射率$|c k / ω| < 1$（$k$和$c$分别是波数和光速）的逃逸电磁波。然而，高极化和各向异性逃逸电磁波可以有效地激发在强磁化等离子体与$ω_{ce}/ω_{pe} \geq 1$。这些逃逸电磁波的能量、圆偏振度（CPD）和频谱图的各向异性强烈地依赖于环束电子与背景电子的数密度比。特别是，它们的CPD可以随着环束密度的降低而从左手变为右手，这可以解释太阳射电爆发的一些观测特性（例如，无线电尖峰）。
2020-01-10 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Whistler instability driven by the sunward electron deficit in the solar wind
太阳风电子以电子热通量的形式将能量携带到行星际空间，在太阳风加速的能量平衡中起着重要作用。热通量存储在由膨胀、库仑碰撞和场-粒子相互作用形成的复杂电子速度分布函数（VDFs）中。我们调查如何超热电子赤字的反strahl方向，这是最近发现的近太阳太阳风，驱动动力学不稳定性，并创建哨声波的波矢量是准平行的背景磁场的方向。我们结合高节奏的测量电子俯仰角分布函数和电磁波提供的太阳轨道器在其第一个轨道。我们的案例研究是基于一个突发模式的数据间隔从静电分析仪系统（SWA-EAS）在距离112 $R_S$（0.52 AU）从太阳，在此期间，几个哨声波包被太阳轨道器的无线电和等离子体波（RPW）仪器检测。向太阳的赤字创造动力学条件下，准平行哨声波被驱动不稳定。我们通过对太阳风的观测，直接检验我们对这些波存在的预测。我们发现哨声波是准平行的，几乎是圆偏振的，传播远离太阳，正好与一个明显的向阳赤字的电子VDF。回旋共振的条件是满足电子在相反的方向上的波传播的方向，与能量对应的那些与向阳赤字。
2021-07-22 astro-ph.SR physics.space-ph
Velocity Space Signatures of Resonant Energy Transfer between Whistler Waves and Electrons in the Earth's Magnetosheath
本文结合准线性模型与MMS观测，揭示地球磁鞘磁洞中电子通过n=-1回旋共振将动能转移给哨声波，导致波增长、温度各向异性降低及电子平行加热，为湍流等离子体共振能量转移提供了自洽理解。
2023-11-29 physics.plasm-ph physics.space-ph
Electron Temperature Anisotropy and Electron Beam Constraints From Electron Kinetic Instabilities in the Solar Wind
电子温度各向异性和电子束是观测到的太阳风中非平衡电子速度分布的非热特征。在碰撞贫等离子体中，这些非平衡分布预计将通过波粒相互作用由动力学不稳定性调节。本研究考虑了由芯电子温度各向异性和电子束相互作用驱动的电子不稳定性，首次对背景磁场任意方向的不稳定性进行了全面的分析。它阐明了主导参数制度（例如，平行芯电子等离子体β $β_{\mathrm{ec\parallel}}$，芯电子温度各向异性$A_{\mathrm{ec}}\equiv T_{\mathrm{ec\perp}}/T_{\mathrm{ec\parallel}}$，和电子束速度$V_{\mathrm{eb}}$）对于每种电子不稳定性（例如，电子束驱动的电子声/磁声不稳定性、电子束驱动的哨声不稳定性、电磁电子回旋不稳定性、电子镜不稳定性、电子水龙带不稳定性和普通模式不稳定性）。结果表明，电子注能使低$β_{\mathrm{ec\parallel}}$区的电子声/磁声波失稳，使中等和大$β_{\mathrm{ec\parallel}}$区的哨声波失稳.同时还发现，在$β_{\mathrm{ec\parallel}}\sim0.1-2$和$A_{\mathrm{ec}}<1$的区域中，电子注与$V_{\mathrm{eb}}\gtrsim7V_{\mathrm{A}}$一起驱动了一种新的斜向快磁声/哨声不稳定性.此外，本研究提出…
2020-10-02 physics.space-ph
Pressure-anisotropy-driven microturbulence and magnetic-field evolution in shearing, collisionless plasma
研究了高β无碰撞等离子体的非线性状态，当施加线性剪切放大或减小均匀磁场时，驱动压力各向异性，从而导致水龙带/镜不稳定性。所产生的微尺度湍流的演变被认为是剪切关闭或逆转后，一个剪切时间（模仿本地行为的宏观流），所以一个新的宏观配置叠加在微尺度状态留下的前一个。存在等离子体β的阈值：当$β\llΩ/S$（离子回旋频率/剪切速率）时，与剪切时间相比，由剪切驱动的不稳定的消防管/镜波动的出现以及当剪切被移除/反转时它们的消失是准瞬时的，即，这些波动的衰减时间是$\simβ/Ω\ll 1/S$（该结果是由波动的自由衰减得到的，该波动的自由衰减受到与其增长相同的边缘稳定性阈值的约束）。相反，当$β\gtrsimΩ/S$（"超高" β）时，旧的微尺度状态只能在剪切时间尺度上被去除。在这种制度下，驱动消防水龙带波动增长长期订单单位振幅，补偿平均场的衰减，因此钉扎压力各向异性在边缘稳定性没有明显的粒子散射-这是不像发生在中度$β$。当剪切反向时，这种消防水龙带湍流的剪切补偿了平均场的增加，从而防止了压力各向异性的增长，阻止了系统的镜像不稳定。因此，在超高β下，系统保持接近消防阀值，镜像不稳定性在很大程度上被抑制，而平均磁能几乎没有变化。等离子发电机的影响，从而宇宙磁性的起源进行了讨论。
2015-12-26 astro-ph.CO astro-ph.HE nlin.CD
Kinetic Effects on Turbulence Driven by the Magnetorotational Instability in Black Hole Accretion
磁旋转不稳定性（MRI）是在吸积盘中引起湍流输运的不稳定性，本文在动力学区域进行了研究。辐射低效吸积流（RIAF），就像我们银河系中心的超大质量黑洞周围的那种，被认为是无碰撞的。动力学MHD形式主义，基于弗拉索夫方程的时刻，用于线性分析和非线性模拟。修改ZEUS MHD程序，使其包含关键的动力学MHD项：各向异性压力张量和各向异性热传导。模拟使用局部剪切盒近似。由于绝热不变性（$μ=p_\perp/B$），当MRI放大磁场时，产生压力各向异性。拉莫尔半径尺度的不稳定性-镜，离子回旋加速器，消防水龙带-在大的压力各向异性激发。压力各向同性，由于这些不稳定性的俯仰角散射包括作为一个亚网格模型。动力学MHD模拟的一个关键结果是，各向异性（粘性）应力可以与麦克斯韦应力一样大。提出了一种新的数值模拟大温度梯度下各向异性热传导的方法。简单的实验表明，各向异性热传导的中心差分可以导致热量从较低温度流向较高温度，从而产生负温度。横向温度梯度的限制不会加重温度极值。
2007-03-20 astro-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
On the interplay of solar wind proton and electron instabilities: Linear and quasi-linear approaches
目前正在作出重要努力，以了解所谓的动力学不稳定性，驱动的等离子体粒子存在于太阳风和地球磁层中的不同物种的各向异性。这些不稳定性足够快，可以有效地将等离子体粒子的自由能转换为具有多种含义的增强（小尺度）波动，从而调节等离子体粒子的各向异性。在本文中，我们使用线性和准线性（QL）的框架来描述复杂的不稳定的制度，现实地结合不同的温度各向异性的电子和离子（质子）。因此，参数化的是各种不稳定性，例如，质子和电子firehose，电磁离子回旋，和哨声不稳定性，表明它们的主要线性特性显着改变的各向异性的电子和质子的相互作用。线性理论可以预言，当两种性质不同的不稳定性的增长率相当时，它们之间会有很强的竞争。在QL阶段波波动增长和饱和在不同的水平和时间尺度，通过比较的质子或电子的不稳定性的个别激发。此外，质子和电子引起的涨落的累积效应可以显著地刺激它们的温度各向异性的弛豫。在各向异性质子弛豫过程中，只有哨声涨落抑制了质子水龙带涨落的效率。这些结果为进一步的数值模拟研究提供了有价值的前提，以解码空间等离子体中各向异性电子和质子相互作用引起的动力学不稳定性的全谱。
2021-01-11 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.pop-ph
Electron Heating in Hot Accretion Flows
局部（剪切盒）模拟的非线性演化的磁旋转不稳定性在无碰撞等离子体表明，角动量输运的压力各向异性（$p_\perp \ne p_\parallel$，其中的方向定义相对于本地磁场）是由于麦克斯韦和雷诺应力。压力各向异性，这是一个有效的大规模的粘度，出现，因为绝热不变量相关的$p_\perp$和$p_\parallel$在波动的磁场。在无碰撞等离子体中，压力各向异性的大小以及粘度由回旋频率下的动力学不稳定性决定。我们的模拟表明，$\sim 50$ %的引力势能直接转换成热量在大尺度上的粘性应力（剩余的能量损失的网格尺度数值耗散的动能和磁能）。我们表明，电子接收到的显着分数（$\sim [T_e/T_i]^{1/2}$），这种耗散的能量。利用这种加热的各向异性粘性应力在一维模型中的辐射效率低的吸积流，我们发现，流量的辐射效率大于0.5%的$\dot{M} \gtrsim 10^{-4} \dot{M}_{Edd}$。因此，低吸积率，而不仅仅是低辐射效率，是解释许多吸积黑洞的低光度所必需的。对于银河系中心的Sgr A*，我们预测的辐射效率意味着$\approx 3 \times 10^{-8} M_\odot {\rm yr^{-1}}$的吸积率和$\approx 10$史瓦西半径处的电子温度为$\approx 3 \times 10^{10}$ K;后者与VLBI观测推断的亮度温度一致。
2007-09-18 astro-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
Astrophysical gyrokinetics: Turbulence in pressure-anisotropic plasmas at ion scales and beyond
我们提出了一个理论框架来描述电磁动力学湍流在多物种，磁化，压力各向异性等离子体。假设湍流波动与平均场相比是小的，相对于平均场是空间各向异性的，并且与离子回旋频率相比具有小的频率。在离子拉莫尔半径以上的尺度上，该理论简化为Kunz等人（2015）制定的动力学简化磁流体力学（KRMHD）的压力各向异性概括。在离子拉莫尔半径和以下的尺度上，实现了三个主要目标。首先，我们分析的压力各向异性gyrokinetic系统的线性响应，并表明它是一个概括以前探索的限制。压力各向异性的影响的稳定性和碰撞阻尼的Alfvenic和压缩波动的突出，注意的频谱位置和宽度的频率跳跃发生的Alfven波过渡到动力学Alfven波。其次，我们推导并讨论了一个一般的自由能守恒定律，它既捕获了长波长的KRMHD自由能守恒，又捕获了亚离子拉莫尔尺度的动力学阿尔芬波和离子熵的双重级联。我们发现，非麦克斯韦功能的分布函数中的相混合量和磁应力的效率的变化，从而影响级联通道之间的自由能的分区。第三，一个简单的模型被用来表明，压力各向异性可以导致大的变化，由于阿尔芬湍流耗散的离子-电子加热比。我们的理论提供了一个基础，以确定如何压力各向异性影响的湍流波动谱，粒子种类的差分加热，以及空间和天体物理等离子体中的平行和垂直相混合的比例。
2018-03-20 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Generation of Electron Whistler Waves at the Mirror Mode Magnetic Holes: MMS Observations and PIC Simulation
磁层多尺度（MMS）任务观察到电子哨声波的中心和磁洞的边缘在向阳侧磁鞘。磁孔的大小与粒子密度反相关，因此磁孔是非线性的镜像结构。在这篇文章中，我们研究了这些哨声波的生长机制和它们与宿主磁洞的相互作用。在观测中，随着磁洞的发展和加深，电子群被捕获并发展出有利于哨声波产生的温度各向异性。此外，磁场大小的降低和密度的增加降低了电子共振能量，这促进了电子回旋共振。为了研究这个过程，我们使用了一个扩展的盒子粒子模拟来产生镜像不稳定性，然后演变成磁洞。模拟结果表明，在磁洞的中心和边缘都能产生哨声波，再现了MMS观测的主要特征。模拟结果表明，一旦磁镜不稳定性达到非线性演化阶段，磁孔中心的电子温度各向异性会发展。在磁场结构的最小值处，等离子体对哨声波是不稳定的。在镜不稳定性饱和区，当磁孔形成时，磁孔边缘出现电子温度各向异性，在磁场最小时，电子分布变得更加各向同性。在边缘处，磁孔的膨胀使电子减速，这导致温度各向异性。
2018-03-16 physics.space-ph
Electron-driven instabilities in the solar wind
电子是太阳风中必不可少的粒子种类。它们的速度分布函数往往表现出非平衡特性。这些包括温度各向异性，尾部（峰度），和反射不对称性（偏度），这有助于显着的热通量的太阳风。如果这些非平衡特征足够强，它们会驱动动力学微观不稳定性。我们发展了一个基于准线性理论方程的半图形框架来描述太阳风中电子驱动的不稳定性。我们应用我们的框架，以共振温度各向异性驱动的不稳定性。这些不稳定性包括电子哨声各向异性不稳定性和传播电子消防管不稳定性。然后，我们描述的反射不对称性驱动的电子分布函数的共振不稳定性。这些包括电子/离子声、动力学阿尔文热通量、朗缪尔、电子束、电子/离子回旋、电子/电子声、哨声热通量、斜快磁声/哨声、低杂波风扇和缺电子哨声不稳定性。我们简要地评论非共振不稳定性驱动的电子温度各向异性，如镜像模式和非传播的消防水龙带不稳定性。最后，我们总结我们的审查与列表中的电子驱动的不稳定性领域的太阳风的开放性研究课题。
2022-06-21 astro-ph.SR physics.geo-ph physics.plasm-ph
A nonlinear theory of the parallel firehose and gyrothermal instabilities in a weakly collisional plasma
弱碰撞等离子体相对于磁场动态地发展压力各向异性。这些各向异性在略高于离子拉莫尔半径ρ i和远低于平均自由程λ mfp的尺度上触发等离子体不稳定性。它们的增长率是离子回旋频率的一小部分--比整体动力学或局部湍流快得多。不稳定性极大地改变了等离子体的输运性质，从而改变了等离子体的宏观动力学。它们的非线性演化驱动压力各向异性向边缘稳定性发展，并受等离子体β β i的控制。在这里，这种非线性演变是为最简单的分析处理的例子-平行消防水龙带不稳定性。在非线性区，解析理论和数值解预测长期增长的磁波动。它们发展出一个k^{-3}谱，从略大于ρ_i的尺度延伸到随时间长期增长的最大尺度（~t^{1/2}）;相对压力各向异性（\pperp - \ppar）/ \ppar趋于边缘值-2/β_i。边缘状态是通过磁场的变化而不是粒子散射来实现的。当存在平行离子热通量时，水龙带突变为新的陀螺热不稳定性（GTI），该不稳定性在压力各向异性达到水龙带稳定值时继续存在，该值可以为正值并受到热通量的限制。GTI的非线性演化也表现为磁涨落的长期增长，但谱最终由~ρ i l T/λ mfp附近的模主导，其中l T是平行温度变化的尺度。动量和热量传输的影响进行了推测。本研究的动机是星系团等离子体动力学。
2011-05-07 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Ion Scale Electromagnetic Waves in the Inner Heliosphere
了解太阳风和日冕中的物理过程，这些过程对加热、加速和耗散起着积极的作用，这是美国宇航局帕克太阳探测器（PSP）任务的主要目标。在离子尺度上对相干电磁波的观测表明，线性回旋共振和非线性过程在内日球层中是动态相关的。在PSP的第一个近日点遭遇相干波的小波统计研究表明，横向电磁波的离子共振尺度，在30-50\%的径向场间隔观察到的存在。测得的平均波振幅约为4 nT，而波事件的平均持续时间约为20秒;然而，长持续时间的波事件可以在小时长的时间尺度上不间断地存在。虽然离子尺度波在径向平均磁场的间隔期间优先观察到，我们表明，测量的限制，与单航天器采样的准平行波叠加各向异性湍流，使测量的准平行离子波谱不可观察时，平均磁场是倾斜的太阳风流;这些结果意味着相干离子尺度波的出现不限于径向场配置。特征波振幅和持续时间的强径向标度的缺乏表明波是通过等离子体不稳定性产生的{ \em{in-situ} }。此外，质子分布函数的观察表明，温度各向异性可能会驱动所观察到的离子尺度波。
2019-12-05 astro-ph.SR physics.space-ph
Kinetic wave activity and proton heating in 3D hybrid simulations of decaying balanced and imbalanced Alfvénic turbulence
The University of Texas at Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校）
该研究通过三维混合模拟对比平衡与不平衡阿尔文湍流，发现交叉 helicity 是控制无碰撞湍流等离子体大尺度演化、动力学活动和能量耗散的关键参数，平衡湍流的能量耗散与质子加热更显著。
2026-10-09 physics.plasm-ph physics.space-ph
Free Energy Sources of Ion-scale Waves Observed by Parker Solar Probe
Parker 太阳探测器通过观测离子尺度波，揭示了太阳系内层与质子热流相关的自由能源。
2025-12-12 astro-ph.SR physics.space-ph
Mach Number Dependence of Ion-scale Kinetic Instability at Collisionless Perpendicular Shock: Condition for Weibel-dominated Shock
本文采用线性理论和非线性粒子模拟方法研究了无碰撞激波下离子尺度动力学等离子体不稳定性。我们专注于阿尔文离子回旋（AIC），镜子，和韦伯不稳定性，这都是驱动不稳定的有效温度各向异性诱导的冲击反射离子在过渡层内的严格垂直冲击。我们进行线性色散分析与均匀等离子体模型来模拟激波过渡层，采用环形分布与有限的热扩散来代表反射离子的速度分布。我们发现，对于平行于环境磁场的波传播，在较低的阿尔文马赫数的AIC不稳定性倾向于过渡到韦伯不稳定性在较高的阿尔文马赫数。然而，不稳定性也强烈地受到声马赫数的影响。我们的结论是，在阿尔文和声音马赫数都超过$\sim 20{\rm -}40$的强激波的不稳定性可以被认为是韦伯的意义上，反射离子的行为基本上未磁化。二维PIC模拟证实了线性理论，并发现，与典型的年轻超新星遗迹冲击参数，环分布模型产生的背景磁场，这是小于以前的PIC模拟中观察到的韦伯为主的冲击的顺序的磁波动。这表明，回旋反射离子分布的假设可能不足以定量预测高马赫数冲击的动力学的非线性行为。
2021-07-06 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Possible coexistence of kinetic Alfvén and ion Bernstein modes in sub-ion scale compressive turbulence in the solar wind
我们调查压缩湍流在亚离子尺度的测量磁层多尺度任务。通过校准航天器势获得的四面体构型和高时间分辨率密度数据允许调查在亚离子范围内的太阳风和它们的三维结构的湍流密度波动。通过将多点信号谐振器技术应用于四点密度数据，获得了与每个航天器频率处的最高能量密度相关联的波矢量。波动表现出很强的波矢各向异性$k_{\perp}\gg k_{\parallel}$，其中平行和垂直符号相对于平均磁场方向。等离子体框架频率显示两个群体，一个低于质子回旋频率$ω<Ω_{ci}$，与动力学阿尔文波（KAW）湍流一致。第二分量具有与离子伯恩斯坦波（IBW）湍流一致的较高频率$ω> Ω_{ci}$。或者，这些波动可能构成KAWs，这些KAWs经历了多次波-波相互作用，导致等离子体框架频率的加宽。在这个波矢量区域的尺度相关的峰度表明，在小尺度上，这也可以解释为波活动的存在，在不稳定性的减少。我们的研究结果表明，小尺度湍流表现出线性波的动力学Alfvén和可能的离子伯恩斯坦/磁声波。根据我们的研究结果，我们推测，这些波可能发挥作用，在描述所观察到的减少在子离子尺度的不透明度。
2020-10-23 physics.space-ph
