The electron distribution function downstream of the solar-wind termination shock: Where are the hot electrons?
在大多数关于等离子体冲击波的文献中，电子扮演着“幽灵粒子”的角色，因为它们对质量和动量流的贡献可以忽略不计，并且它们被视为只负责等离子体的电中性。然而，在最近的一些论文中，电子在激波动力学和热力学中，特别是在太阳风终止激波中，扮演了一个新的重要角色。它们以一种非常特殊的方式作用于冲击电场，导致下游电子的超热非平衡分布，这可以用kappa分布函数来表示。在本文中，我们讨论了为什么预期的热电子人口没有看到的旅行者飞船下游的太阳风终止冲击的等离子体探测器。我们表明，热的非平衡电子诱导一个强大的负电荷的任何航天器巡航通过这个下游等离子体环境。这种电荷将航天器探测器上的电子通量降低到无法探测的强度。此外，我们表明，德拜长度$λ_{\mathrm D}^κ$增长到约$λ_{\mathrm D}^κ/λ_{\mathrm D}\simeq 10^{6}$的值相比，在这个热电子环境中的经典值$λ_{\mathrm D}$。这种不寻常的条件允许某种类型的静电等离子体波的传播，在非常大的波长下，允许我们通过这些波的相速度直接确定超热电子的有效温度。在中等波长下，电声色散关系导致非传播振荡，离子等离子体频率$ω_{\mathrm p}$，而不是传统的电子等离子体频率。
2015-06-19 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Ion Reflection by a Rippled Perpendicular Shock
本文利用 MMS 观测研究非稳态无碰撞垂直等离子体激波，发现由 Hall 项平衡的亚质子尺度大振幅法向电场导致激波坡出现波纹，其静电势使入射离子减速并反射大量质子，实现比稳态平面激波更高效的激波漂移加速。
2024-07-10 physics.plasm-ph physics.space-ph
Conditions of excitation of magnetospheric convection by the electric current generated in the bow shock
本文分析了在弓形激波（BS）前部产生电流的后果以及电流方向对IMF的依赖性。讨论了这种电流通过磁层闭合的条件。结果表明，外电流穿透磁化等离子体的过程具有两个阶段的特征。最初，在边界上的电流的变化引起一个区域的表面电荷，其字段极化的近壁层的厚度上的一个gyroradius的质子。极化过程涉及位移电流的形成，该电流产生安培力，加速双层内的等离子体。当等离子体速度达到电漂移速度时（在质子的反回旋频率的数量级的时间内），该等离子体中的电场消失，而在固定的参考系中，相反地，它达到平衡值。电场变化的前沿以快磁声波的速度穿透等离子体。对流速度场的变化引起等离子体压力的重新分布。相应梯度的出现表示电流渗透到等离子体中。梯度不断变化，直到达到新的恒定状态，新的对流速度场和新的等离子体压力场对应于该稳定状态。这个新的状态在估计的时间内达到。
2003-06-05 physics.geo-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
Double layers in the Earth's bow shock
本文介绍了在磁层多尺度观测下，在准垂直地球弓形激波中的静电双电层。这些双层主要具有幅度高达100 mV/m的平行电场，空间宽度为50-700 m，等离子体帧速度在100 km/s以内。双电层中的电位降为de Hoffmann-Teller坐标系中交叉激波电位的2-7%，其空间尺度为10个德拜长度或电子惯性长度的十分之一。有些双层的空间宽度可达70德拜长度，电位降可达交叉激波电位的30%。在双层中观察到的电子温度变化与它们的电位降大致一致。虽然地球弓形激波中的电子加热主要是由于de Hoffmann-Teller框架中的准静态电场，但这些观测结果表明，电子温度也可以在德拜尺度的静电结构中增加。
2022-11-30 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
Determining the Dominant Acceleration Mechanism during Relativistic Magnetic Reconnection in Large-scale Systems
虽然越来越多的研究表明，相对论性磁重联是高能天体物理系统中粒子加速的一个巨大来源，但主要的加速机制仍然存在争议。使用完全动力学模拟和理论分析相结合，我们表明，费米型加速内的大规模动态电场占主导地位的直接加速从非理想电场内的小尺度扩散区域。这一结果具有深远的影响建模粒子加速在大规模的天体物理问题，因为它开辟了建模的可能性，而不解决微观扩散区的能量谱。
2019-06-20 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Acceleration of solar wind ions to 1 MeV by electromagnetic structures upstream of the Earth's bow shock
我们目前的测量从欧空局/美国宇航局集群任务，显示在现场加速离子的能量为1兆电子伏外的弓冲击。所观察到的加热可以与电磁结构的存在相关联，所述电磁结构具有导致离子回旋相位断裂和离子轨迹中的混沌的电场的强空间梯度。其导致离子在垂直于环境磁场的方向上的快速随机加速。这些结构的电势可以比作滑雪斜坡上的一个巨大的场地，能够加速并将快速奔跑的滑雪者弹射出滑雪道。这一机制可能代表了磁层、日冕和天体物理等离子体中离子垂直加速和加热的普遍机制。这也是一个基本的机制，可以限制在冲击和前震在无碰撞等离子体的非线性电磁结构的陡峭。
2013-07-05 astro-ph.SR physics.space-ph
Bi-directional streaming of particles accelerated at the STEREO-A shock on 9th March 2008
本文对2008年3月9日由日地关系天文台（ST-A）观测到的快速准垂直反向激波附近超热离子的各向异性和强度进行了解释。测量的超热粒子的强度分布表现出增强，或“尖峰”，在冲击到达和俯仰角各向异性的冲击到达之前的时间是双峰，共同建议捕获的近散射自由离子沿磁场线相交的冲击在两个位置。我们运行测试粒子模拟与预先存在的上游静磁波动平流通过冲击。所测得的双峰上游各向异性，近场对齐的各向异性高达约15分钟的上游的冲击，以及“煎饼状”的各向异性高达约10分钟的下游的冲击很好地再现了模拟。这些结果与早期的研究结果一致，表明磁场的大尺度结构（100 s的超热质子回旋半径）在冲击波的早期粒子加速中起着主导作用。
2020-09-28 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.space-ph
Stochastic and quasi-adiabatic electron heating in quasi-parallel shocks
使用磁层多尺度（MMS）观测地球的准平行弓激波，我们证明了电子被加热的两种不同的机制：在磁场压缩的准绝热加热过程中，其特征在于由各向同性的温度关系$T/B=(T_0/B_0)(B_0/B)^α$与$α=2/3$时，电子加热功能$|χ_e|<1$，和一个随机加热过程时，$|χ_e|>1$。这两个过程都是由随机加热函数$χ_j = m_j q_j^{-1} B^{-2}\mathrm{div}(\mathbf{E}_\perp)$的值控制的粒子与质量$m_j$和电荷$q_j$在电场和磁场$\mathbf{E}$和$\mathbf{B}$。试验粒子模拟表明，在所研究的冲击波的随机电子加热和加速是由波的频率（0.4 - 5）$f_{ce}$（电子回旋频率）散装加热，和波$f>5\,f_{ce}$的尾部分布函数的加速。随机加热可以产生平顶电子分布函数，经常观察到附近的冲击。电子回旋漂移（ECD）和离子声不稳定性的斜极化电场将电子散射到平行方向，并保持电子分布的各向同性。本文报道的结果可能与行星际冲击和其他天体物理冲击的电子加热和加速有关。
2020-10-08 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR
Electrostatic Waves and Electron Holes in Simulations of Low-Mach Quasi-Perpendicular Shocks
本文利用二维PIC模拟研究低马赫数准垂直激波，揭示电子束驱动EAWs并演化为ESWs的机制，且其尺度和振幅依赖激波速度。
2024-08-03 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Ion acceleration to MeV by the ExB wave mechanism in collisionless shocks
结果表明，在垂直于磁场的方向上，离子可以通过静电波的ExB机制加速到MeV能量范围。加速发生在离散的步骤的持续时间是一个小部分的gyroperiod，可以解释观测到的离子电子伏特到10千电子伏在准垂直冲击和100-1000千电子伏在准平行冲击。给出了任意形状冲击波中加速离子的最大能量的一般表达式。参与加速的波与三个交叉场电流驱动的不稳定性有关：由激波和小激波中的密度梯度引起的低混合漂移（LHD）不稳定性，其次是由强LHD波电场中电子的ExB漂移引起的修正双流（MTS）和电子回旋漂移（ECD）不稳定性。ExB波机制将重离子加速到与原子质量数成比例的能量，这与弓形激波上游的卫星观测以及超新星遗迹中的后激波观测是一致的。
2021-04-01 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Electrostatic solitary waves in the Earth's bow shock: nature, properties, lifetimes and origin
我们提出了一个统计分析的两千多个双极静电孤立波（ESW）收集从十个准垂直地球的弓形激波过境的磁层多尺度航天器。我们开发并实施了一个校正程序，用于重建实际的电场，速度，和其他属性的ESW从测量，其空间尺度通常可比或小于电压敏感探头之间的空间距离。我们确定轴向和自旋平面天线的频率响应因子之间的最佳比率为约1.65/1.8。我们发现地球弓形激波中95%以上的ESW是负极性的，并对这些ESW的性质进行了深入的分析。它们的空间尺度约为10- 100米，在$λ_{D}$至$10λ_{D}$的范围内，振幅通常低于几伏，低于0.1的局部电子温度，在航天器和等离子体静止帧中的速度低于几百公里/秒，大约为局部离子声速。ESW的空间尺度与局部德拜长度$λ_{D}$显著相关。幅值为5- 30 V或0.1- 0.3Te的ESW发生率为百分之几。ESW的电场一般与局部磁场倾斜，传播方向与激波正向${\bf N}$高度倾斜，80%以上的ESW在距激波面30 $^{\circ}$以内传播。在激波平面中，ESW通常在激波平面上的局部磁场投影${\bf B}_{\rm LM}$的几十度内传播，并且优选地与${\bf N}\times {\bf B}_{\rm LM}$相反。我们认为负极性的ESW是离子-离子流不稳定性的非线性阶段产生的离子相空间空穴。我们估计的离子空穴的寿命为10- 100毫秒，或1- 10公里的空间…
2021-03-09 physics.plasm-ph physics.space-ph
Nonthermal Electron Acceleration at Collisionless Quasi-perpendicular Shocks
冲击波在无碰撞的日光层和天体物理等离子体中的传播已经被广泛研究了几十年。一个主要的动机是了解冲击时的非热粒子加速。虽然扩散激波加速（DSA）理论长期以来一直是宇宙射线在激波加速的标准，粒子加速的等离子体物理理解仍然难以捉摸。本文综述了近几年来在准垂直冲击下电子非热加速机制的研究进展。本评论中的讨论仅限于以下三个具体主题。第一种是随机冲击漂移加速（SSDA），这是一种相对较新的电子注入DSA的机制。本文将讨论其基本机制、相关的现场观测和动力学模拟结果，以及它与DSA的联系。其次，我们讨论了与年轻超新星遗迹（SNRs）有关的高马赫数激波的激波冲浪加速（SSA）。虽然一维假设下的原始建议是不现实的，SSA现在已被证明是有效的一个完全三维的动力学模拟。最后，我们讨论了目前的理解磁化韦伯主导的冲击。激波结构内自生电流片的自发磁重联是韦伯产生的强磁湍流的有趣结果。我们认为，高马赫数冲击与阿尔芬和声音马赫数超过20-40将可能表现为韦伯主导的冲击。尽管最近有一些有趣的发现，SSDA，SSA，和磁重联的电子加速在无碰撞冲击的相对作用，以及如何占主导地位的粒子加速机制的变化取决于冲击参数仍然有待回答。
2022-09-08 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
The Efficiency of Coherent Radiation from Relativistic Shocks
本文讨论了磁化无碰撞等离子体中天体物理相对论激波产生强电磁波发射的机制。在磁化激波处，粒子被激波压缩的磁场反射，产生环状动量分布，引起等离子体不稳定性。同步脉泽不稳定性（SMI）激发时，将产生强相干的高频电磁波，而韦伯不稳定性（WI）为主导模式时，将产生非传播的磁涨落。这个问题在天体物理学上有很大的意义，因为如果发射出强烈的辐射，与上游介质的相互作用会产生一个大振幅的静电场（或尾场），这可能对超高能宇宙射线的加速起作用。我们回顾了我们最近的努力，以测量电磁波发射效率使用完全自洽的，二维（2D）的粒子在细胞（PIC）模拟对等离子体。我们发现，在2D的发射效率是系统低于一维（1D）PIC模拟结果。然而，即使当WI活动以产生大幅度磁波动时，功率仍然有限。简要讨论了目前的结果的天体物理意义。
2019-02-17 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Particle acceleration and wave excitation in quasi-parallel high-Mach-number collisionless shocks: Particle-in-cell simulation
本文通过一个长期的、大规模的粒子模拟研究了准平行高马赫数无碰撞激波中质子和电子的激波形成和粒子加速过程。我们表明，质子和电子都在冲击波中加速，这些加速粒子在冲击波的上游区域产生大振幅的Alfvénic波。在上游波充分增长之后，由于波的大横向磁场，无碰撞激波的局部结构变得基本上类似于准垂直激波的结构。一小部分质子在激波中加速，能量分布类似于幂律。质子注入对加速过程的速率近似为常数，在注入过程中，上游波对质子的相位俘获机制起着重要作用。主要的加速过程是通过质子的重复冲击交叉的费米式过程。这个过程是一个“快”过程，因为大多数加速质子完成一个加速过程周期所需的时间比扩散时间短得多。一小部分电子也被相同的机制加速，并具有类似幂律的能量分布。然而，在模拟过程中，喷射没有进入稳定状态，这可能与上游波的间歇性活动有关。在冲击波的上游，一部分电子在到达冲击波之前被预加速，这可能有助于在稍后的时间稳定的电子注入。
2015-02-17 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Observational evidence of magnetic reconnection in the terrestrial bow shock transition region
我们报告的证据磁重联在过渡区的地球弓形激波时，冲击正常和直接上游磁场之间的角度是65度。一个离子集肤深度尺度的电流片表现出霍尔电流和场图案，电子流出射流，并通过非理想电场增强的能量转换率，所有一致的重联扩散区接近X线。在扩散区，电子被电磁波调制。在同一激波过渡区，观察到一个离子排气与激励场对齐的离子和电子平行加热。通电离子在电流片上方的速度比在电流片下方的速度与流入离子分离得更多，这可能是由于两个流入区域之间的剪切流。观测结果表明，磁重联可能有助于冲击波能量耗散。
2018-12-21 physics.space-ph
