Electron inertia effects in 3D hybrid-kinetic collisionless plasma turbulence
本研究使用无近似实现电子惯性的CHIEF代码进行3D混合动力学PIC模拟，发现电子惯性在限制电子尺度及以上的电流密度最大值并主导最强电流片电场方面起关键作用。
2023-09-12 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Fluidization of collisionless plasma turbulence
在无碰撞的磁化等离子体中，粒子可以沿着磁场线自由流动，导致其分布函数的相位“混合”，从而消除任何“压缩”波动（密度，压力等）。这种快速混合是静态等离子体中这些波动的朗道阻尼的基础，这是使等离子体不同于常规流体的最基本的物理现象之一。然而，在有利于强朗道阻尼的条件下，在湍流天体物理等离子体中（最生动的是在太阳风中）观察到了广泛的幂律谱压缩波动。在自然界的其他地方，这种光谱通常与流体湍流有关，其中能量不能在惯性尺度范围内耗散，因此从大尺度级联到小尺度。通过直接的数值模拟和理论论证，它表明在这里，湍流的压缩波动在无碰撞等离子体强烈类似于一个在碰撞流体，并有广泛的幂律谱。这种“流化”的碰撞等离子体的发生，因为相混合强烈抑制平均由“随机回波”，产生由于非线性平流的颗粒分布的湍流运动。除了解决长期以来观测到的太阳风中的压缩波动的难题，我们的研究结果提出了一个概念上的转变，为理解动力学等离子体湍流一般：而不是作为一个系统，朗道阻尼发挥耗散的作用，碰撞无等离子体是有效的dissipationless除了在非常小的尺度。“流体”湍流物理学的普遍性，从而重申，即使是一个动态的，无碰撞的系统。
2018-08-13 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
Electrostatic turbulence and Debye-scale structures in collisionless shocks
我们提出了一百多个大振幅双极静电结构的分析，在准垂直超临界地球的弓形激波穿越，测量的磁层多尺度航天器。双极结构的出现与激波过渡区的磁场梯度密切相关。双极结构具有负静电势和几个德拜长度的空间尺度。双极结构传播的速度（在等离子体静止帧）的顺序的离子声速的冲击法线高度倾斜。我们认为双极结构是由入射离子和反射离子之间的双流不稳定性产生的离子相空间空穴。这是第一次确认的离子双流不稳定性在无碰撞冲击。电子加速的影响进行了讨论。
2019-12-04 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-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
Modeling imbalanced collisionless Alfvén wave turbulence with nonlinear diffusion equations
利用傅立叶空间中的一对非线性扩散方程研究了从磁流体到电子尺度的强阿尔芬波湍流动力学。特别注意的是，在太阳风（SW）中，特别是在相对靠近太阳的区域中，通常观察到的反向传播波的能量之间的不平衡状态。在无碰撞制度的色散效应产生的规模相当于或大于那些耗散成为有效的，由一个给定的广义交叉螺旋度（GCH），这是一个不变的注入率产生的不平衡，是远远大于在相应的碰撞制度所描述的通常（或减少）磁流体力学。高不平衡和离子朗道阻尼的综合效应导致了亚离子尺度下横向磁场的陡峭能谱。该光谱与西南部高阿尔文区域（如后缘）的观测结果一致，但并不采取过渡范围的形式，该过渡范围在较小尺度上由较浅的光谱继续。这表明，所观察到的光谱显示这样的过渡的结果，从叠加的贡献来自不同程度的不平衡的各种流。此外，当在已经充分发展的湍流中以小尺度补充不平衡的能量注入时，例如在磁重联的作用下，观察到所有尺度的不平衡的显著增强。
2019-12-11 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-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
Zonal flow generation in collisionless trapped electron mode turbulence
本文用解析方法研究了无碰撞俘获电子模（TEM）湍流中带状流的产生。TEM湍流的简化模型是基于反应漂移波的先进流体模型。导出了带状流生长速率的解析表达式，并与线性TEM生长进行了比较，并对典型托卡马克参数值进行了等离子体参数定标。
2009-01-15 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Weibel instability-mediated collisionless shocks in laser-irradiated dense plasmas:Prevailing role of the electrons in the turbulence generation
本文采用粒子模拟方法研究了超高强度激光脉冲驱动下稠密等离子体中无碰撞湍流激波的产生。从线性分析中，我们强调了激光加热和返回电流电子在触发强烈的韦伯不稳定性中的关键作用，从而产生能够各向同性靶离子的磁湍流。
2015-02-03 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Fast Zonal Field Dynamo in Collisionless Kinetic Alfven Wave Turbulence
论证了无碰撞动力学阿尔芬波湍流产生快速发电机作用的可能性。电子朗道阻尼提供了锁定所产生的场所需的不可逆性，因此感应电场不会随电阻率而消失。的系统和这些结果的关系的理论的α淬火的自我调节机制进行了讨论。发电机产生的场具有类似于纬向流的对称性，因此称为纬向场。
2001-01-10 astro-ph physics.plasm-ph
Turbulence Mode Decomposition and Anisotropy in Magnetically Dominated Collisionless Plasmas
University of Florida（佛罗里达大学）；Institute for Advanced Study（高等研究院）；Columbia University（哥伦比亚大学）；University of Helsinki（赫尔辛基大学）
研究相对论性湍流在磁主导非碰撞等离子体中的湍流模和各向异性，扩展Cho和Lazarian(2002)方法分解非相对论磁流体动力学湍流为阿尔芬、快和慢模，发现阿尔芬和慢模符合Goldreich和Sridhar(1995)标度，快模则各向同性。
2026-04-22 astro-ph.HE 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
Spectral breaks of Alfvenic turbulence in a collisionless plasma
最近的观测表明，在几乎无碰撞的太阳风等离子体中，磁湍流扩展到比等离子体微尺度更小的尺度，如离子回旋半径和离子惯性长度。在高频率的磁场和密度波动谱中测量到的断裂被认为与从大尺度磁流体到小尺度动力学湍流的过渡有关。然而，这种转变的规模和负责的物理机制还没有得到很好的理解。在目前的工作中，我们强调的关键作用的等离子体参数在过渡到动力学湍流，如离子和电子等离子体β，电子与离子的温度比，湍流波动的湍流度。然后，我们对最近观察中报告的光谱突变提出了解释。
2015-07-02 astro-ph.GA physics.plasm-ph physics.space-ph
Diagnosing collisionless energy transfer using field-particle correlations: Alfven-Ion Cyclotron Turbulence
我们应用场粒子相关性-一种跟踪电磁场和等离子体粒子之间能量密度传输率的时间平均速度-空间结构的技术-从Alfvén离子回旋加速器湍流的混合Vlasov-Maxwell模拟中获得的数据。在这个系统中的能量传递预计将包括朗道和回旋波粒子共振，不像以前的系统，其中的场粒子相关技术已被应用。在该模拟中，由平行电场$E_\parallel$介导的能量传递速率包括总速率的大约$60\%$，其余部分由垂直电场$E_\perp$介导。平行的电场共振耦合到质子，在整个模拟过程中，在许多点处识别出朗道阻尼的规范双极速度-空间特征。由$E_\perp$介导的能量转移优先与具有$v_{tp} \lesssim v_\perp \lesssim 3 v_{tp}$的粒子耦合，这与回旋加速器扩散平台的预期形成一致。我们的研究结果清楚地表明，场-粒子相关技术可以区分不同的通道的能量转移使用单点测量，即使在多个通道同时作用的点，并可以用来定量地确定每个通道中的粒子的速度。
2020-06-03 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Mediation of Collisionless Turbulent Dissipation Through Cyclotron Resonance
本研究基于太阳风观测发现离子回旋波是大尺度电磁涨落耗散的主要途径，并提出由交叉螺旋度控制的“螺旋度势垒”机制，解释无碰撞等离子体加热路径差异。
2023-06-08 astro-ph.SR 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
Kinetic Turbulence in Collisionless High-Beta Plasmas
我们提出的结果从三维混合动力学模拟Alfvénic湍流在高β，无碰撞等离子体。这种湍流的关键特征是局部波-波之间的相互作用在级联中的波动和非局部波-粒子之间的相互作用与动力学微不稳定性驱动的各向异性的热压（即，消防水管，镜子，和离子回旋）之间的相互作用。我们提出的理论估计，并直接从模拟计算，有效的碰撞性和等离子体粘度的压力各向异性高β湍流，表明，对于强Alfvénic湍流，有效的平行粘性规模是可比的级联的驱动规模。在此尺度下，动能谱表明，由于各向异性粘性应力，Alfvénic叶栅的斜率比$-5/3$更陡。由于水龙带不稳定性产生的波动，磁能谱在离子拉莫尔标度附近比$-5/3$浅。大部分级联能量（80-90%）通过朗道阻尼和各向异性粘性加热的组合作为离子加热耗散。我们的研究结果对低光度吸积到超大质量黑洞的粒子加热模型，团内介质的有效粘度，以及近地太阳风观测的解释都有影响。
2023-03-02 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Collisionless Dissipative Nonlinear Alfven Waves: Nonlinear Steepening, Compressible Turbulence, and Particle Trapping
可压缩等离子体中非线性Alfven波的磁能可能只与离子声准模有质动力耦合，这些准模调制波的相速度并引起波前变陡。在含有$β\not=0$的无碰撞等离子体中，非线性Alfven波的动力学也受到共振粒子-波相互作用的影响。在相对快速的演化（与粒子反弹时间相比）后，准驻波结构，与所谓的（Alfvenic）旋转不连续性相同，形成，其出现和动力学以前尚未被理解。非线性阿尔芬波的无碰撞（朗道）耗散也是太阳风加热的一种合理而自然的机制。将强的可压缩Alfvenic湍流看作是随机相互作用的Alfvenic间断和非线性波的集合，结果表明存在两个不同的湍流相。什么样的相位实现取决于这种无碰撞阻尼是否足够强，以在所有尺度上提供足够的能量汇，从而支持波能的稳态级联。然而，在长时间渐近中，粒子分布函数受波磁场的影响。在这个制度的非线性朗道阻尼，共振粒子被困在准静态Alfvenic不连续性，从而导致形成一个平台上的分布函数和淬火无碰撞阻尼。使用维里定理被困粒子，它分析表明，它们对非线性动力学的这种不连续性的影响是不平凡的，并迫使显着偏离传统的范式的理论。
1999-01-19 astro-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
Non-linear collisionless damping of Weibel turbulence in relativistic blast waves
在弱磁化无碰撞冲击波的物理学中，韦伯/双折射不稳定性起着关键的作用。从高能天体物理学的角度来看，这种不稳定性也起着至关重要的作用，因为它在激波前兆中的发展使下游充满了小尺度的静磁湍流，这种湍流形成了超热粒子的加速和辐射过程。本工作讨论了相对论性无碰撞冲击波的韦伯产生的湍流下游的耗散的物理。它明确地计算与粒子轨迹的扩散性质相关的一阶非线性项。这些修正被发现系统地增加阻尼率，假设散射长度保持大于磁波动的相干长度。这种校正的相关性进行了讨论，在更广泛的天体物理学的角度来看，特别是关于物理学的外部相对论性冲击波的伽马射线暴。
2014-10-01 astro-ph.HE physics.plasm-ph
The Effect of Large Scale Magnetic Turbulence on the Acceleration of Electrons by Perpendicular Collisionless Shocks
我们研究了在无碰撞冲击下电子加速的物理学，这些冲击通过包含大尺度磁波动的等离子体移动。我们数值积分的大量的电子，这被视为测试粒子移动的时间相关的电场和磁场从2-D混合模拟（动力学离子，流体电子）的轨迹。大规模的磁波动以多种方式影响电子，并导致在冲击波前沿有效和快速的电子振荡。由于电子主要沿着磁力线运动，空间中磁力线的大规模编织允许快速移动的电子多次穿过冲击波阵面，从而实现有效的加速。冲击波阵面中的各种尺度的波纹也将通过镜像电子而有助于加速。我们的计算表明，这一过程有利于电子加速在垂直冲击。本文的研究也有助于理解无碰撞冲击加速电子的注入问题。它还表明，高能电子的空间分布是类似的原位观测（例如，Bale等人，1999年; Simnett等人，2005年）。这一过程可能对我们理解行星弓形激波和行星际激波中的高能电子以及解释某些II型太阳射电爆发中的人字形结构很重要。
2010-10-02 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Compressible Turbulence as a Source of Particle Beams and Ion Bernstein Waves in Collisionless Plasmas
Universität Potsdam（波茨坦大学）；Deutsches Elektronen Synchrotron (DESY)（德国电子同步辐射中心）
通过高分辨率粒子云模拟，研究可压缩湍流如何通过渡越时间阻尼产生超热电子和质子束，并在亚离子尺度激发离子伯恩斯坦波，揭示其在无碰撞等离子体湍流中驱动跨尺度能量传输和动能耗散的核心作用。
2026-05-22 physics.plasm-ph
Diffusion and Radiation in Magnetized Collisionless Plasmas with High-Frequency Small-Scale Turbulence
磁化的高能量密度等离子体通常会有很强的电磁涨落，其相关尺度小于电子的拉莫尔半径。在这样的等离子体中，来自电子的辐射与同步加速器和回旋加速器辐射明显不同，它们的能量和俯仰角扩散密切相关。在本文中，我们提出了一个全面的理论和数值研究的粒子在冷，“小尺度”朗缪尔和哨声模式湍流的传输及其关系的辐射光谱同时产生的这些粒子。我们强调，这种关系是一个极好的诊断工具的实验室，天体物理，行星际和太阳等离子体的平均磁场和强大的小尺度湍流。
2015-12-03 physics.plasm-ph
Collisionless Magnetorotational Turbulence in Pair Plasmas: Steady-state Dynamics, Particle Acceleration, and Radiative Cooling
该研究利用三维完全动力学剪切盒模拟和同步辐射冷却策略，揭示成对等离子体磁旋转湍流在动力学尺度的谱变陡、角动量输运及不依赖初始条件的非热粒子加速。
2024-06-14 astro-ph.HE physics.plasm-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
Turbulence in collisionless plasmas: statistical analysis from numerical simulations with pressure anisotropy
在过去的几年里，我们经历了越来越多的兴趣，在理解的物理性质的无碰撞等离子体，主要是因为大量的天体物理环境，例如，星团内介质（ICM），包含磁场是强大到足以耦合到电离气体和密度足够低，以防止压力各向同性相对于磁力线方向的特点。在这些条件下，一类新的动力学不稳定性出现，如消防水龙带和镜像的，这是在文献中广泛研究。然而，在压力各向异性的存在下，它们在湍流演化和叶栅过程中的作用仍然不清楚。在这项工作中，我们提出了第一个统计分析的湍流在无碰撞等离子体中使用三维双等温磁流体力学与Chew-Goldberger-Low封闭（CGL-MHD）的数值模拟。我们研究了具有不同初始条件的模型，以考虑水龙带和镜像不稳定性，并获得不同的湍流状态。我们研究了密度和速度涨落的概率分布函数、谱、结构函数和各向异性。结果表明，在某些情况下，不稳定性显着修改的统计特性的湍流，即使初步和限制到非常具体的条件下，表明湍流的物理性质在无碰撞等离子体中，在ICM中发现的，可能是非常不同的，从很大程度上被认为是什么。其影响范围从能量交换到宇宙射线加速。
2010-12-23 astro-ph.GA physics.plasm-ph
Collisionless tearing instability in relativistic non-thermal pair plasma and its application to MHD turbulence
本文研究相对论性非热正负电子等离子体中幂律分布下的无碰撞撕裂不稳定性，揭示粒子谱硬化和无力极限对增长率的影响，并将其应用于MHD湍流，推导出不稳定涡旋尺寸及临界磁化参数。
2024-10-21 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Intrinsic rotation drive by collisionless trapped electron mode turbulence
利用回旋运动理论，对静电无碰撞俘获电子模（CTEM）湍流驱动的平行残余应力和平行湍流加速度进行了解析计算。准线性结果表明，平行的残余应力对正向磁剪切和湍流强度剖面的同向旋转贡献了一个向外增大的通量。这可能引起固有的逆流旋转或并流旋转轮廓的平坦化。CTEM湍流驱动的平行湍流加速消失，由于密度波动和离子压力波动之间没有相移。这与离子温度梯度（ITG）湍流的情况不同，对于ITG湍流，湍流加速可以为正常的磁剪切和湍流强度轮廓向外增加提供并流驱动。预测其数量级与残余应力发散的数量级相同[Lu Wang and P.H. Diamond，Phys. Rev. Lett. { \bf 110}，265006（2013）]。这些理论结果的实验观测的电子回旋加热效应的环形旋转的可能连接进行了讨论。
2016-04-08 physics.plasm-ph
Generalized entropy production in collisionless plasma flows and turbulence
无碰撞等离子体在被激励后表现出非热粒子分布;因此，它们进入相对于热状态的低玻尔兹曼-吉布斯（BG）熵的状态。弗拉索夫方程预测，在封闭边界的无碰撞等离子体中，BG熵形式上是守恒的，以及无限的卡西米尔不变量;这提供了一个看似强大的约束，可以解释等离子体如何保持低熵。然而，人们普遍认为，熵产生是由相混合或非线性熵级联实现的。这种反常的熵产生是否会发生，以及如何定量地描述它，是等离子体物理中的一个基本问题。我们构建了一个新的理论框架，用于表征熵产生（在广义上）的基础上，理想的保守维量来自卡西米尔不变量，这些被称为“卡西米尔动量”，他们推广BG熵。卡西米尔动量相对于平均粒子动量的增长表明熵的产生。我们应用这个框架来量化相对论等离子体中层流和湍流的粒子模拟中的熵产生，其中有效的非热粒子加速是启用的。我们证明了大量的反常熵产生的湍流，尽管非热功能。这些结果对非热粒子加速的简化建模和诊断无碰撞等离子体（如太阳风和地球磁层）中的不可逆耗散具有影响。类似于卡西米尔动量的广义熵的维数表示可能对统计物理中的其他问题有用。
2022-07-07 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Importance of accurate consideration of the electron inertia in hybrid-kinetic simulations of collisionless plasma turbulence: 1. The 2D limit
在湍流无碰撞空间和天体物理等离子体中，磁能的耗散机制仍然没有得到很好的理解。它的研究需要在无碰撞等离子体湍流的能量传递的有效的动力学模拟。在这方面，混合动力学模拟，其中离子被视为粒子和电子作为惯性流体，最近已经开始吸引显着的兴趣。混合动力学模型通过忽略电子动力学效应来描述离子和电子尺度过程，使得它们与完全动力学等离子体模型相比在计算上要求低得多。混合动力学代码解决离子的弗拉索夫方程（欧拉弗拉索夫混合代码）或作为宏观粒子的离子的运动方程（拉格朗日粒子单元（PIC）混合代码）。他们认为电子流体的惯性使用不同的近似。我们检查这些近似的有效性，采用我们最近大规模并行化的三维PIC混合代码CHIEF，它认为没有任何共同的近似的电子惯性。特别是，我们报告的二维无碰撞等离子体湍流的模拟结果。我们的结论是，使用混合动力学代码，使用近似来描述电子惯性得到的模拟结果需要谨慎解释。我们还讨论了并行可扩展性的首席，据我们所知，第一PIC混合代码，没有近似描述的惯性电子流体。
2022-02-02 physics.plasm-ph
Small-amplitude Compressible Magnetohydrodynamic Turbulence Modulated by Collisionless Damping in Earth's Magnetosheath: Observation Matches Theory
本研究利用Cluster卫星数据首次观测证实无碰撞阻尼调制地球磁鞘中小振幅可压缩MHD湍流，分解三种模式并揭示其对各向异性的影响，观测与理论相符。
2024-02-08 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
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
Free energy sources in current sheets formed in collisionless plasma turbulence
宏观能量无碰撞耗散为热是空间和天体物理等离子体的一个未解决的问题，例如，太阳风和地球的磁鞘。考虑中最可行的过程是宏观能量到动力学尺度的级联，其中无碰撞等离子体过程耗散能量。空间观测和数值模拟表明，在湍流等离子体中动力学尺度电流片的形成。这些CS中的不稳定性可以提供无碰撞耗散并影响湍流。物理量的空间梯度和非麦克斯韦速度分布函数为CS等离子体不稳定性提供了自由能源。为了确定由等离子体密度和电子/离子体速度的空间梯度在CS中形成的无碰撞湍流等离子体与外部磁场$\mathbf{B}_0$提供的自由能量源，我们进行了二维PIC混合模拟和解释的模拟模型的限制内的结果。我们发现，在无碰撞湍流等离子体中，离子尺度的CS主要是由电子剪切流形成的，即，CS内部的电子体积速度远大于离子体积速度，而通过CS的密度变化相对较小（$<$ 10%）。电子体速度和因此片内的电流密度主要平行于$\mathbf{B}_0$。垂直的电子和离子体速度的剪切产生平行的电子和离子流涡旋。在CS内部，平行电子流涡度超过平行离子流涡度，在CS中心附近改变符号，并在CS边缘附近达到峰值。在CS形成期间，CS附近出现离子温度各向异性。它与平行的离子流和电子流涡度呈正相关。理论估计支持模拟结果。
2021-08-05 physics.plasm-ph
Thermal disequilibration of ions and electrons by collisionless plasma turbulence
在弱碰撞、磁化、湍流等离子体中，离子和电子之间是否存在总体热平衡？如果不存在，热能如何在离子和电子之间分配？这是等离子体物理学中的一个基本问题，这个问题的答案对于预测遥远天体的性质也至关重要，比如黑洞周围的吸积盘。在光盘的背景下，这个问题是提出了近二十年前，并已产生了相当大的文献。在这里，我们提供了答案的情况下，能量注入等离子体通过Alfvénic湍流：碰撞湍流加热通常作用于不平衡的离子和电子的温度。使用混合流体陀螺动力学模型的数值模拟表明，离子-电子加热速率比是热-磁能量比的递增函数，$β_\mathrm{i}$：它的范围从$\sim0.05$在$β_\mathrm{i}=0.1$至少$30$为$β_\mathrm{i} \gtrsim 10$。这种能量分配对离子-电子温度比$T_\mathrm{i}/T_\mathrm{e}$近似不敏感。因此，在没有其他平衡机制的情况下，通过阿尔夫维尼克湍流加热的无碰撞等离子体系统将趋向于非平衡状态，其中一种物质明显比另一种更热，即，在高$β_\mathrm{i}$下较热的离子，在低$β_\mathrm{i}$下较热的电子。电磁场的光谱和5D相空间中的离子分布函数在高$β_i$下表现出有趣的新的磁主导区域，并且当$β_\mathrm{i}\lesssim1$时，离子加热倾向于由非线性相位混合（“熵级联”）介导，当$β_\mathrm{i}\gg…
2019-01-15 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Magnetorotational Turbulence and Dynamo in a Collisionless Plasma
我们提出的结果，从第一个三维动力学数值模拟的磁旋转湍流和发电机，使用本地剪切盒模型的碰撞吸积盘。动力学磁旋转不稳定性的增长从一个亚热磁场具有零净通量的计算域，以产生自持湍流和向外角动量输运。显著的麦克斯韦和雷诺应力伴随着由场对准离子压力各向异性产生的可比粘性应力，其主要由通过粒子捕获和俯仰角散射的镜和离子回旋不稳定性来调节。后者赋予等离子体的有效粘度是偏置的磁场方向和时空可变的。能谱表明，在大尺度上的阿尔文波级联和动力阿尔文波级联在小尺度上，具有强的小尺度密度波动和弱的非轴对称密度波。离子经历非热粒子加速，它们的分布由卡帕分布精确描述。这些结果对低碰撞性吸积流的性质有影响，例如银河系中心黑洞附近的吸积流。
2016-10-19 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Cascades and Dissipative Anomalies in Nearly Collisionless Plasma Turbulence
我们发展了在碰撞率为零的极限下由Vlasov-Maxwell-Landau方程控制的动力学等离子体湍流的第一性原理理论。在Onsager开创的精确重整化群方法之后，我们证明了在1粒子相空间中存在一个“无碰撞范围”的尺度（长度和速度），其中理想的Vlasov-麦克斯韦方程组在“粗粒度意义上”得到满足。然而，由于非线性熵级联，在该范围内熵守恒可能被“耗散异常”所违反。我们推导出“4/5定律”型表达式的熵通量，这使我们能够表征其非零所需的奇点（结构函数标度指数）。在无碰撞极限下，质量、动量和能量守恒定律不受反常转移的影响。然而，在随后的限制小gyroradii，异常的贡献，惯性范围内的能量平衡可能会出现由于级联的散装能源和湍流的再分配的内能在相空间。在同样的限制下，从粒子动量平衡导出的“广义欧姆定律“简化为“理想欧姆定律“，但只是在粗粒度的意义上，不意味着磁通量冻结，并允许在所有惯性范围尺度下的磁重联。我们比较我们的结果与先前的理论的基础上的gyrokinetic（高陀螺频率）的限制，数值模拟，航天器测量的太阳风和地球磁层。
2018-09-28 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.plasm-ph
Lattice Boltzmann model for collisionless electrostatic drift wave turbulence obeying Charney-Hasegawa-Mima dynamics
采用格子玻尔兹曼方法（LBM）求解磁化等离子体绝热漂移波湍流的Charney-Hasegawa-Mima（CHM）模型. CHM-LBM模式包含一个正压状态方程的潜力，包括类似于准地转模式中的科里奥利力的交叉产品的力项，和一个密度梯度源项。膨胀的晶格玻尔兹曼模型方程导致冷离子流体的连续性和动量方程，这类似于CHM动力学下的漂移排序。标准测试用例（传播，稳定漂移模式和衰减湍流）的数值解进行比较，通过传统的有限差分格式，直接离散的CHM方程得到的结果。LB方案类似于特征CHM动力学，除了在密度梯度方向上的附加剪切。产生的剪切随漂移比减小，并归因于下伏LBM的可压缩极限。
2021-09-26 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Self-organization in collisionless, high-$β$ turbulence
本文研究了无碰撞、高$β$湍流中由压力各向异性和Larmor尺度不稳定性引发的“磁不可变性”自组织效应，发现该效应能抑制磁场涨落与耗散，使Alfvénic级联在粘性尺度下形成近守恒的类MHD惯性区，并通过Landau-fluid模拟证实了微不稳定性仅占据极小体积。
2024-09-27 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Features of collisionless turbulence in the intracluster medium from simulated Faraday rotation maps II: the effects of instabilities feedback
对星系团团内介质（ICM）的法拉第旋转测量（RM）图进行统计分析，为评价ICM内磁场的某些空间特征提供了一个独特的工具。它与磁流体动力学（MHD）湍流的数值模拟相结合，可以诊断ICM湍流。由于ICM等离子体是弱碰撞的，粒子的热速度分布由于大尺度运动和带电粒子的磁矩守恒而自然地呈现各向异性。以前的一项研究（论文I）分析了大尺度热各向异性对湍流模拟合成的RM地图统计数据的影响;这些模拟采用了无碰撞MHD模型，该模型考虑了具有均匀各向异性的张量压力。在目前的工作中，我们扩展到一个无碰撞的MHD模型的分析，其中的热各向异性的发展，根据守恒的热粒子的磁矩。我们还考虑了微尺度镜和消防水龙带不稳定性引起的各向异性弛豫效应。我们表明，如果弛豫速率足够快，以保持各向异性限制的阈值的不稳定性，RM映射的色散和功率谱是不可区分的从碰撞MHD。否则，有一个减少的分散和陡峭的RM地图的功率谱（碰撞的情况下相比）。考虑到第一种情况，在ICM中使用碰撞MHD模拟来模拟RM统计变得更合理。
2016-11-27 astro-ph.HE physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Turbulent transport in 2D collisionless guide field reconnection
无碰撞等离子体中的输运通常被称为反常输运，这是由于粒子与自发湍流之间的相互作用。由于它的相关性，天体物理和空间等离子体，我们探讨了在电流片容易组件或导场重联，一个过程还没有得到很好的理解，湍流的激发。我们使用2.5D粒子在细胞（PiC）代码模拟分析的异常输运性质。我们分裂的平均，缓慢的变化（相对于快速湍流波动）的宏观观测，并确定的主要运输条款的广义欧姆定律。我们通过与独立确定的宏观电流的慢化率和湍流波动的一阶相关性获得的输运项进行比较来验证我们的发现。我们发现，湍流在导场重联的“低密度”分界线区域最为强烈。它是由流动不稳定性激发的，它主要是静电的，在空间中是“片状的”，因此是相关的准周期性异常输运。剩余的不可逆异常电阻率可以通过有效碰撞频率来参数化，有效碰撞频率范围从局部离子回旋到低混合频率。对由湍流平衡的缓慢变化的DC-电场的平行和垂直（对磁场）分量的贡献是相似的。然而，这种反常的电场比非对角压力项和欧姆定律的电子惯性项的贡献小。这一结果现在可以通过多航天器飞行任务MMS对地球磁层磁重联区域内和周围的湍流进行现场测量以及在MRX和VINETA-II等实验室实验中进行验证。
2017-02-13 physics.plasm-ph physics.space-ph
Phase-space entropy cascade and irreversibility of stochastic heating in nearly collisionless plasma turbulence
本文研究近无碰撞等离子体中随机电场导致的测试粒子加热，揭示 $C_2$ 在位置与速度空间的相空间熵级联、谱标度及其使随机加热不可逆的机制。
2024-06-14 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Recent progress on phase-space turbulence and dynamical response in collisionless plasmas
在存在波耗散的情况下，非线性Vlasov动力学中出现相空间结构。它们的动力学可以导致波频率的非线性连续移动（啁啾）。本报告总结了我个人在2012财年对这些主题的贡献。采用一维束-等离子体动力学模型，研究了碰撞对啁啾特性的影响。系统地将长时间非线性演化分为阻尼演化、稳态演化、周期演化、混沌演化和啁啾演化。啁啾状态被细分为周期性的、混沌的、突发的和间歇的。现有的解析理论被扩展到解释类克鲁克碰撞。在动力学摩擦和速度扩散的情况下，研究了与啁啾脉冲相关的弛豫振荡。周期随着阻力的减小而增大，随着扩散的减小而微弱地增大。一种新的理论给出了相空间结构的增长与波能增长之间的简单关系。当耗散场方程中的线性项建模时，单个空穴生长速率和初始扰动阈值的简单表达式与数值模拟一致。
2013-11-07 physics.plasm-ph
Kinetic dissipation and anisotropic heating in a turbulent collisionless plasma
利用无碰撞混合模拟方法研究了Orszag-Tang涡旋的动力学演化。在磁流体动力学制度，这种涡流迅速导致宽带湍流。与MHD的显著差异出现在小尺度上，其中流体尺度能量几乎完全通过磁场耗散成热，因为质子与磁场解耦。虽然没有回旋共振，但质子在垂直于平均场的平面上优先加热，就像日冕和太阳风一样。计算了有效输运系数。
2008-06-20 physics.plasm-ph physics.space-ph
Energy cascade rate measured in a collisionless space plasma with MMS data and compressible Hall magnetohydrodynamic turbulence theory
利用磁层多尺度（MMS）航天器观测数据和最近导出的{ \it可压缩} Hall MHD湍流的精确定律，首次完整地估算了地球磁鞘中磁流体动力学（MHD）和亚离子尺度下的可压缩能量级联率$|\varepsilon_\text{C}|$.采用多航天器技术计算速度梯度和磁场梯度，然后计算出所有的关联函数。结果表明，当密度涨落相对较小时，$|\varepsilon_\text{C}|$在MHD尺度下与不可压缩类似物$|\varepsilon_\text{I}|$很好地一致，但在亚离子尺度下比$|\varepsilon_\text{I}|$大得多。对于较大的密度波动，在每个尺度上，$|\varepsilon_\text{C}|$都大于$|\varepsilon_\text{I}|$，并且其值显着高于较小的密度波动。我们的研究还表明，对于小的和大的密度波动，非通量项始终保持相对于通量项可以忽略不计，并且在亚离子尺度下对$|\varepsilon_\text{C}|$的主要贡献来自可压缩的霍尔通量。
2019-11-21 astro-ph.EP physics.plasm-ph
Influence of ion-to-electron temperature ratio on tearing instability and resulting subion-scale turbulence in a low-$β_e$ collisionless plasma
本研究用双场回旋流体模型研究低$\eta_e$无碰撞等离子体中离子与电子温度比对撕裂不稳定性和亚离子尺度湍流的影响，发现$\ au$值显著影响湍流特征，$\ au=100$时触发开尔文-亥姆霍兹不稳定性，$\ au=1$时需考虑电子FLR效应。
2024-05-22 physics.plasm-ph
Identification and characterization of current sheets in collisionless plasma turbulence
本研究扩展了Zhdankin等人（2013）的电流片分析算法，用于识别离子动力学尺度湍流无碰撞等离子体中的电流片，推导了其核心特性，并发现无电子惯性时电流片会变薄至数值耗散限制的尺度。
2020-09-08 physics.plasm-ph
Scale Statistics of Current Sheets in Relativistic Collisionless Plasma Turbulence
本文利用无监督机器学习分析相对论等离子体湍流全动能二维模拟中的电流片尺度分布，发现长度和曲率呈幂律分布表明结构自相似性，宽度在动力学尺度达峰并指数衰减，结果可为高能天体物理的磁流体亚网格模型提供参考。
2024-08-22 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Ion leakage from quasiparallel collisionless shocks: implications for injection and shock dissipation
本文提出了一个准平行一维无碰撞激波中粒子输运的简化模型。在这个模型中，激波后面的MHD湍流由圆偏振的大振幅Alfvén波主导，该波起源于下游介质泄漏的粒子激发的湍流上游。有人认为，这样的波有显着增加其磁场在通过冲击界面的传输过程中可以有效地捕获热离子，调节其泄漏上游。与背景湍流一起，该波在入射离子流的热化中也起着重要作用。自洽地计算了泄漏粒子的频谱和由这些粒子激发的波的振幅。计算了基于这种泄漏机制的一阶费米加速的注入率，并与计算机模拟结果进行了比较。讨论了冲击等离子体中热分量和非热分量之间冲击能量分配的有关问题。泄漏颗粒的化学成分进行了研究。
1998-06-25 astro-ph physics.plasm-ph
Kelvin-Helmholtz instability of the collisionless anisotropic space plasma
详细研究了各向异性等离子体中线性MHD Kelvin-Helmholtz不稳定性（KHI）与外磁场方向的关系。为此，我们用MHD方程来描述等离子体作为流体的运动，该方程是由无碰撞等离子体的Boltzmann-Vlasov动力学方程的16阶矩导出的。此外，还考虑了沿磁场方向的热通量。KHI的增长率作为函数的各向异性等离子体性能的剪切流沿磁场在超音速计算。另一方面，准横向传播的表面波之间的流动与变化的速度进行了彻底检查为零宽度和有限宽度的过渡层。与切向间断相反，证明了随着波数的增加，过渡层的极限宽度限制了KHI激发。这种不稳定性可能是太阳风等离子体中大尺度低频Alfén波湍流耗散的主要途径之一。
2022-04-11 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Relaxation to universal non-Maxwellian equilibria in a collisionless plasma
本文通过熵最大化方法研究无碰撞等离子体湍流弛豫，发现短时守恒的无碰撞不变量在强湍流下被驱动为普适形式，并通过一维静电束流不稳定性数值验证了粒子能量分布出现指数为-2的普适幂律尾部。
2024-09-03 astro-ph.HE cond-mat.stat-mech physics.plasm-ph
Three-dimensional plasmoid-mediated reconnection and turbulence in Hall magnetohydrodynamics
本文研究霍尔MHD中三维等离子体团介导重联，发现三维条件下单X线重联比二维更不易发生，且在特定Lundquist数和尺度比下可实现自生湍流重联，并分析了其能谱与各向异性特征。
2024-08-05 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Turbulent Thermal Equilibration of Collisionless Magnetospheric Plasmas
本文通过理论分析与非线性回旋动理学模拟，证明磁层等离子体中由磁曲率和密度梯度驱动的湍流可在无碰撞条件下均衡不同种类粒子的温度，实现热平衡。
2024-05-22 physics.plasm-ph physics.space-ph
Physics of Weibel-mediated relativistic collisionless shocks
我们发展了一个全面的理论模型的相对论性无碰撞对冲击介导的电流的双折射不稳定性。我们显着的非惯性框架中，这种不稳定性是一个主要的磁性的特点，并描述在微观层面上的减速和加热的传入的背景等离子体通过其碰撞与电磁湍流的相互作用。我们的模型比较大规模的2D3V PIC模拟，并提供了一个重要的试金石等离子体系统的现象。
2019-07-25 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Propinquity of current and vortex structures: effects on collisionless plasma heating
弱碰撞等离子体湍流加热的间歇性是一个活跃的研究课题，对理解太阳风、日华和天体物理等离子体具有重要的潜在影响。最近的研究表明，在等离子体加热涡的作用。在磁流体动力学小尺度涡附近产生的电流片，这种效果持续在动力等离子体，这里证明了混合动力和完全动力粒子在细胞（PIC）模拟。此外，涡增强局部动力学效应，与广义共振条件选择的质子加热和热各向异性的符号相关的增强或减少。在这样的等离子体加热与涡度和电流密度，但更强烈地与涡度。这些结果有助于解释几个先前的结果，发现动力学效应和附近，但不集中，电流片。动力学等离子体的相干性涉及多个物理量，相干结构与非热效应密切相关。
2016-10-10 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Electron heating in a current-driven turbulence as a result of nonlinear interaction of electron- and ion-acoustic waves
我们研究了无碰撞电流驱动湍流中由于电子和离子声波之间的非线性相互作用引起的电子加热。PIC模拟结果表明，由于电子和离子的平均速度相差很大，Buneman不稳定性激发了大振幅的离子声波，强烈地改变了电子速度分布函数，导致二次不稳定性产生快速的电子声波，并在此过程中最终产生一个巨大的电子空穴.这个巨大的电子空穴负责由于相混合而产生的强电子加热。数值模拟结果与以前的观察结果是一致的，并提供洞察的关键过程负责电子加热和非线性波的产生在无碰撞电流驱动的不稳定性。
2022-08-01 physics.plasm-ph
