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
Particle-In-Cell simulations of circularly polarised Alfvén wave phase mixing: a new mechanism for electron acceleration in collisionless plasmas
在这项工作中,我们使用Particle-In-Cell模拟来研究圆极化Alfvén波与横向于均匀磁场的一维等离子体密度不均匀性(相位混合)在无碰撞等离子体中的相互作用。在我们的初步工作中,我们报告了一种新的电子加速机制的发现,在这种机制中,由于局部阿尔文速度的差异,阿尔文波前的渐进变形产生了一个倾斜(几乎平行于磁场)的静电场。后者通过朗道共振加速电子。在这里,我们报告了这种新机制的详细研究,包括:(i)分析由于阿尔文波的存在,离子分布函数的加宽和(ii)由于弱非线性和等离子体密度不均匀性产生的压缩扰动。在非均匀区域,在动力学区域,振幅衰减规律与Heyvaerts和Priest(1983)描述的MHD近似相同。
2005-04-01 astro-ph 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
On hydromagnetic wave interactions in collisionless, high-$β$ plasmas
该研究结合解析理论与CGL-MHD数值模拟,揭示高β无碰撞等离子体中Alfvén波与声波、其他Alfvén波的相互作用规律,修正了相关天体物理湍流理论的适用前提。
2023-12-14 astro-ph.HE 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
Kinetic Alfvén wave generation by velocity shear in collisionless plasmas
本文利用二维混合Vlasov-Maxwell(HVM)模拟方法研究了线偏振长波长Alfvén波在无碰撞磁化等离子体中的演化.未扰动的剪切流已经由HVM方程组的精确解表示(Malara { \it et al.},E97,053212),这避免了由非平稳初始状态引起的并且不可避免地影响系统动态的寄生振荡。我们考虑了小振幅和中等振幅阿尔文波的演化,以便将线性波-剪切流耦合与动力学效应分开,后者与较大的波幅更相关。相混合产生的剪切流修改初始扰动,导致形成小尺度的横向波动的尺度与质子惯性长度。通过分析剪切区扰动的偏振和群速度,我们将其识别为动力学阿尔文波(KAWs)。在中等振幅运行,动力学效应扭曲的质子分布函数在剪切区。这导致形成质子束,以阿尔文速度并平行于磁场。这样一个特征,由于与KAWs相关的平行电场,与太阳风观测到的超热离子的种群相比是积极的,这表明它可能与离子尺度KAW-like波动的存在有关。
2020-03-20 physics.plasm-ph
Stochastic Heating in the Sub-Alfvénic Solar Wind
本研究利用帕克太阳探测器数据,发现亚阿尔芬太阳风中线性共振加热不足以解释湍流耗散,而随机加热(通过质子磁矩破坏)结合湍流间歇性可解释观测到的离子增能,对低日冕等环境有重要意义。
2025-09-25 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
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
The scaling of forced collisionless reconnection in two and three dimensions
本文采用双流体方法模拟了具有周期性边界的无碰撞三维立方体中有限电子惯性下的强迫磁重联。进行比较,以类似的二维(2D)模拟。在这个系统中的重新连接是由一个空间本地化的强制功能,被添加到计算域内的离子动量方程。与以前类似的结果一致,但更大的强制二维模拟[B。沙利文湾N. Rogers和M. A. Shay,Phys.Plasmas 12,122312(2005)],对于足够强的强迫,发现重连过程在2D和3D中都变成Alfvenic,即,基于上游重连磁场,流入速度的比例大致类似于阿尔芬速度的某个分数,并且系统呈现具有0.15量级的耗散区域纵横比的稳定配置。
2009-06-01 physics.plasm-ph physics.space-ph
Mach number and plasma beta dependence of the ion temperature perpendicular to the external magnetic field in the transition region of perpendicular collisionless shocks
离子温度各向异性是(准)垂直无碰撞激波的共同特征。通过使用二维全粒子模拟,它示出,离子温度分量垂直的冲击磁场在冲击脚区域是成比例的阿尔芬马赫数除以等离子体β的平方。这一结果也解释了一个简单的分析参数,其中反射离子从上游等离子体流获得能量。通过比较分析和数值计算结果,还证实了当Alfven马赫数的平方除以等离子体β大于20时,反射离子的分数几乎不依赖于等离子体β和Alfven马赫数。
2019-11-19 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Fully kinetic versus reduced-kinetic modelling of collisionless plasma turbulence
我们报告的结果之间的直接比较不同的动力学模型的无碰撞等离子体湍流在两个空间维度。考虑的模型包括第一原理全动力学(FK)的描述,两个广泛使用的简化模型[gyrokinetic(GK)和混合动力学(HK)与流体电子],和一种新的简化gyrokinetic方法(KREHM)。考虑两种不同的离子β($β_i$)制度:0.1和0.5。对于$β_i=0.5$,GK和FK模型之间的良好协议被发现在尺度范围从离子到电子回旋半径,从而提供了有力的证据动力学Alfvén级联的情况。在相同的范围内,HK模型产生较浅的光谱斜率,大概是由于缺乏电子朗道阻尼。对于$β_i=0.1$,对谱比的详细分析揭示了GK和FK在动力学尺度上的描述略有不同,尽管动力学阿尔文涨落可能仍然起着重要作用。这种差异可以追溯到离子回旋半径以上的尺度,FK和HK的结果似乎表明在两个等离子体β制度中存在快磁声和离子伯恩斯坦模式,但在低β情况下与GK有更显著的偏差。确定的实际限制和强度的简化动力学近似,在这里与全动力学模型的情况下,在个案的基础上进行比较,可能会提供有价值的洞察力在发挥作用的主要动力学效应在湍流碰撞等离子体,如太阳风。
2017-09-20 astro-ph.SR 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
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
Kinetic simulations of the interruption of large-amplitude shear-Alfvén waves in a high-beta plasma
使用二维混合动力学模拟,我们探讨了非线性的“中断”的驻波和行波剪切阿尔芬波在无碰撞等离子体。中断涉及一种自生压力各向异性,消除了线性极化Alfvénic扰动的回复力,并发生在波振幅$δB_{\perp}/B_{0}\gtrsim β^{\,-1/2}$(其中$β$是热压力与磁压力之比)。我们使用高度拉长的域,以获得波和离子陀螺仪之间的最大规模分离。对于振幅极限以上的驻波,我们发现波的大尺度磁场迅速衰减。的动力学的强烈影响的激发斜消防水龙带模式,过渡到长寿命的平行波动的离子陀螺仪,并导致显着的粒子散射。行波衰减得更慢,但也受到水龙带模式衰减产生的小尺度平行波动的影响。我们的结果表明,无碰撞等离子体不能支持线性偏振阿尔文波以上$δB_{\perp}/B_{0}\sim β^{\,-1/2}$。他们还提供了一个生动的说明低碰撞等离子体动力学的两个关键方面:(一)在调节等离子体动力学在高$β$的速度空间不稳定性的重要性,以及(二)如何非线性碰撞无过程可以直接从最大尺度的机械能转化为热能和微尺度波动,而不需要一个规模的规模湍流级联。
2017-12-13 astro-ph.CO astro-ph.HE 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
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
Heating of the Solar Corona by Dissipative Alfven Solitons
太阳光球对流驱动了大量的耗散阿尔芬孤子(Alfvenon),这些孤子能将电子和离子加速到数百keV的能量,并产生X射线日冕。阿尔夫维农是无碰撞等离子体双流体方程的精确解,代表将对流驱动的电磁能通量转换为太空和天体物理等离子体中带电粒子的动能的天然加速器。它们的性质已经在磁层中得到实验验证,在那里它们将极光电子加速到数十keV。
2006-04-25 astro-ph 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
Magnetic reconnection during collisionless, stressed, X-point collapse using Particle-in-Cell simulation
考虑了弱应力和强应力X点坍塌两种情况。这里,描述符弱和强分别指X点的20%和124%单向空间压缩。在弱应力情况下,重连率定义为X点(磁零点)的面外电场,由外部磁场和阿尔文速度的乘积归一化,峰值为0.11,其平均值超过1.25阿尔文倍为0.04。在光谱的高能量端,电流片中的电子能量分布示出指数随时间变化的幂律分布,在最终模拟时间步长(1.25阿尔文倍)处达到最大值-4.1。在强应力的情况下,磁重联峰值出现快3.4倍,并且更有效。峰值重连率现在达到2.5,平均重连率超过1.25阿尔文倍为0.5。电流片中电子的幂律能谱现在达到一个更陡的指数-5.5,这个值接近于在地球磁尾X型区域附近观察到的值。在大约一个阿尔文时间内,在弱应力和强应力的情况下,初始磁能的2%和20%分别转化为热能和加速粒子能。在这两种情况下,在重联的峰值期间,产生了四重面外磁场,暗示可能重联的霍尔机制。这些结果强烈地表明了无重粒子、受应力的X点坍缩作为解决太阳日冕加热问题的一个可能的贡献因素的重要性,或者更一般地说,作为将磁能转化为热能和超热粒子能的一种有效机制。
2007-10-09 astro-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
Interplay between intermittency and dissipation in collisionless plasma turbulence
我们通过两种机制研究了无碰撞Alfvénic湍流的阻尼:随机加热(其效率取决于局部湍流振幅$δz_λ$)和线性Landau阻尼(其效率与$δz_λ$无关),详细描述了它们如何影响和受非线性影响。线性朗道阻尼的整体效率不受临界平衡湍流中的不稳定性的影响,而随机加热是更有效的间歇性湍流的存在下。此外,随机加热导致下降的尺度依赖的峰度在一个狭窄的范围内的尺度周围的离子陀螺仪。
2019-04-15 physics.plasm-ph physics.space-ph
The Fluid-like Behavior of Kinetic Alfvén Turbulence in Space Plasma
动力阿尔文波(KAWs)是MHD阿尔文波分支在相对于背景磁场高度倾斜传播的情况下的短波长延伸。对空间等离子体的观测表明,小尺度湍流主要是类KAW湍流。我们应用两种理论方法,碰撞双流体理论和碰撞动力学理论,获得的KAW极化依赖于$β_\mathrm{p}$(质子热压力的磁压力的比率)在离子陀螺仪的密度,体积速度和压力的波动的预测。我们进行小波分析的MMS磁鞘测量和比较的意见与这两种理论。我们发现,双流体理论预测的观测结果比动力学理论,这表明,小规模的KAW-like波动表现出类似流体的行为,在磁鞘中,虽然等离子体是弱碰撞。我们还提出了预测的KAW偏振的内层日光层是可测试的帕克太阳探测器和太阳轨道器。
2019-01-15 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
System Size Dependence of Collisionless Reconnection Rate
University of Maryland, College Park(马里兰大学帕克分校);National Aeronautics and Space Administration Goddard Space Flight Center(美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心);Princeton University(普林斯顿大学)
研究通过粒子-网格和霍尔磁流体动力学模拟揭示碰撞less重联率并非普遍快速,其速率随系统规模增大而降低,表明碰撞less重联具有根本的规模依赖性。
2026-04-20 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Local proton heating at magnetic discontinuities in Alfvenic and non-Alfvenic solar wind
利用Parker Solar Probe观测与2.5D混合模拟,研究了Alfvénic与非Alfvénic太阳风磁场间断处的局地质子加热,发现两类风中小尺度结构分别优先增强$T_\parallel$与$T_\bot$,并揭示了不同质子束流的形成机制。
2023-09-14 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Three species collisionless reconnection: Effect of O+ on magnetotail reconnection
研究了由重粒子、质子和电子组成的三种等离子体中无碰撞重联的性质。除了通常的两个长度尺度存在于两个物种的重联,有两个额外的更大的长度尺度的系统:一个与“重哨声”,产生一个大规模的四极面外磁场,和一个与“重阿尔芬”波,可以减缓流出速度,从而重联率。重联的磁尾与O+人口存在的后果进行了讨论。
2004-09-13 astro-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
Density jump as a function of magnetic field for switch-on collisionless shocks in pair plasmas
无碰撞冲击的性质,如密度跳跃,通常来自磁流体力学(MHD),其中假设各向同性的压力。然而,在无碰撞等离子体中,外部磁场可以维持稳定的各向异性。在\cite{BretJPP2018}中,我们设计了一个模型的动力学历史的等离子体通过冲击波前,允许自洽计算的下游各向异性,因此密度跳跃,在上游参数。该模型处理平行激波的情况,其中磁场垂直于上游和下游的前缘。然而,磁流体力学也允许冲击解决方案,所谓的开关解决方案,其中场只在上游垂直于前方。本文包括在应用我们的模型,这些开关的冲击。虽然MHD在有限的Alfvén马赫数范围内只提供了一种接通解决方案,但我们的模型在稍有不同的Alfvén马赫数范围内提供了两种解决方案。这两个解决方案是最有可能的结果,在我们的模型下的中间和快速MHD冲击。而在平行的情况下,中间和快速冲击合并在MHD中,他们没有在我们的模型。为了简单起见,形式主义仅限于对等离子体的上游是冷的非相对论冲击。
2022-06-14 astro-ph.HE 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
Dynamics and microinstabilities at perpendicular collisionless shock: A comparison of large-scale two-dimensional full particle simulations with different ion to electron mass ratio
采用大规模二维全粒子模拟方法研究了垂直激波动力学与激波根部微不稳定性之间的关系。无碰撞激波的结构和动力学通常由阿尔芬马赫数和等离子体β决定,而激波根部的微不稳定性则由上游体速度与电子热速度之比以及等离子体与回旋频率之比控制。在阿尔芬马赫数和等离子体β固定的情况下,给出了上游体速度与电子热速度之比作为离子与电子质量比的函数。本文在较低的Alfven马赫数(M_A~6)下进行的二维全PIC模拟表明,离子电子质量比越大,修正双流不稳定性越明显。它也证实了下游传播的波更增强的激波脚附近的激波斜坡的质量比变得更高。结果表明,这些波通过与激波阵面波纹的相互作用,对无碰撞激波的动力学特性起到了一定的修正作用。
2014-01-31 astro-ph.HE physics.geo-ph physics.plasm-ph
Hybrid simulation of a parallel collisionless shock in the Large Plasma Device
我们提出了二维混合动力学/磁流体动力学模拟计划的激光烧蚀实验中的大型等离子体装置(LAPD)。我们的研究结果,在以前的实验中已被验证的参数的基础上,表明,一个平行的无碰撞冲击可以开始在可用的空间内形成。碳碎片离子以四倍于阿尔芬速度的吹离速度沿磁场方向流动,激发出强烈的磁场波动,最终将其部分动能转移到周围的氢离子。背景等离子体的这种加速和压缩产生了冲击波阵面,它满足朗肯-雨果尼奥条件,因此可以自行传播。此外,我们分析了上游湍流,并表明它是由右手共振不稳定性。
2016-11-19 physics.plasm-ph physics.space-ph
Collisionless ion-electron energy exchange in magnetized shocks
该研究通过动力学模拟和多流体模型,揭示了磁化无碰撞激波中离子与电子间存在比库仑碰撞更快的能量交换,并识别出其共振机制。
2025-04-24 physics.plasm-ph
Adaptive critical balance and firehose instability in an expanding, turbulent, collisionless plasma
使用混合动力学粒子模拟,我们研究了膨胀的,无碰撞的,磁化等离子体中的强Alfvénic湍流持续驱动的演变。由等离子体膨胀产生的温度各向异性(以及随之而来的平均磁场强度的降低)逐渐降低了场线的有效弹性,导致Alfvénic波动的线性频率和剩余能量的降低。作为响应,这些波动修改它们的相互作用和空间各向异性,以保持它们的特征线性和非线性频率之间的逐尺度“临界平衡”。最终等离子体变得不稳定,动力学消防水龙带不稳定性,激发快速增长的离子拉莫尔尺度的磁波动。随之而来的粒子的俯仰角散射保持边缘稳定附近的温度各向异性,即使作为湍流等离子体继续扩大。由此产生的平行和垂直温度的演变不满足双绝热守恒定律,但准确地描述了一个简单的模型,包括异常散射。我们的研究结果有影响,了解各种热,稀,天体物理等离子体中的宏观和微观尺度物理之间的复杂相互作用,并提供有关功率谱,剩余能量,离子拉莫尔尺度的光谱断裂,和非麦克斯韦功能的离子分布函数,可以通过在高β地区的太阳风的测量进行测试的预测。
2021-11-12 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Hybrid simulation of Alfvén wave parametric decay instability in a laboratory relevant plasma
大振幅阿尔文波会受到参数衰减的影响,这在空间、天体物理和聚变等离子体中会产生重要的影响。虽然阿尔文波参数衰变不稳定性在几十年前就被预测,但观测证据有限,激发了人们对实验室演示不稳定性和相关数值模拟的极大兴趣。在这里,我们报告新的混合模拟实验室相关的等离子体(基于大型等离子体设备)的阿尔文波参数衰减不稳定性,使用现实的波注入和波等离子体参数。仅考虑无碰撞阻尼,我们确定的阈值阿尔文波的振幅和频率所需的触发有界等离子体的不稳定性。这些阈值行为被简单的理论考虑所证实。对本模型中未考虑的其他效应如有限横尺度效应和离子-中性粒子碰撞效应也作了简要讨论。这些混合模拟展示了研究实验室Alfvén波动力学的有前途的工具,可以为未来参数衰变不稳定性的实验室演示提供指导。
2022-05-21 astro-ph.IM physics.plasm-ph physics.space-ph
The Reduction of Magnetic Reconnection Outflow Jets to Sub-Alfvénic Speeds
在模拟和观测中,无碰撞磁重联产生的喷流的流出速度被离子排气温度降低。我们推导出一个基于上游阿尔文速度和平行离子排气温度的流出速度的标度关系,并在动力学模拟和观测中进行了验证。流出速度的降低被证明是由于消防水龙带不稳定性准则,因此,对于足够大的引导场,这种影响被抑制,并且流出速度达到基于磁场的重连分量的上游阿尔文速度。
2018-04-25 physics.plasm-ph
Effects of electron inertia in collisionless magnetic reconnection
在完全电离的氢等离子体中,考虑霍尔电流、电子压力和电子惯性的影响,在完全双流体MHD框架下研究了无碰撞磁重联.我们进行了2.5D模拟,使用伪谱码没有耗散效应。我们检查,理想的不变量的问题是保守的舍入误差。我们的结果表明,磁场线的拓扑结构的变化是完全由于电子惯性的存在。计算出的重连率仍然是阿尔文速度的一个合理的分数,因此有资格作为快速重连。
2014-06-30 physics.plasm-ph
Vlasov simulations of Kinetic Alfvén Waves at proton kinetic scales
动力学阿尔文波是空间等离子体物理学中的一个重要课题,因为它们被认为在短波长(质子惯性长度$d_p$量级及更远)太阳风等离子体中湍流能量级联的发展中发挥着至关重要的作用。在这些尺度上,对支配动力学等离子体动力学的物理机制的充分理解可以为无碰撞系统中的湍流耗散和加热问题提供重要的线索。本文采用混合Vlasov-Maxwell数值模拟方法,详细分析了典型太阳风环境下质子动力学尺度下动力学Alfvén波的特征。特别是,这些波动的传播的线性和非线性制度已在单波的情况下进行了研究,专注于无碰撞朗道阻尼和波粒共振相互作用的物理过程。有趣的是,由于对于接近于$d_p$和质子等离子体β $β$的波长,动力学阿尔文波的相速度比质子热速度小,波粒相互作用过程在粒子速度分布的核心产生显著的变形,表现为相空间涡旋,并导致平顶速度分布。此外,由于欧拉混合弗拉索夫-麦克斯韦算法允许一个干净的几乎无噪声的速度空间的描述,三维图的质子速度分布有助于强调如何从麦克斯韦配置的热力学平衡,由于非线性动力学效应的等离子体偏离。
2014-09-02 physics.plasm-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
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
Collisionless energy transfer in kinetic turbulence: field-particle correlations in Fourier space
在几乎无碰撞的日光层等离子体中,包括太阳风和日冕以及地球的磁层,都普遍观察到湍流。了解湍流脉动能量向颗粒能量传递的无碰撞机制是湍流动力学研究的前沿。从湍流到粒子的无碰撞能量传递可以可逆地发生,导致在最终实现碰撞热化之前粒子速度分布函数(VDFs)中的非热能。利用VDF波动中包含的信息是有价值的。在这里,我们应用一个最近开发的方法的基础上VDFs,场粒子相关技术,一个$β=1$,太阳风,低频Alfvénic湍流模拟,以及解决相空间,以确定在速度空间中的场粒子能量转移。场-粒子相关性揭示了由平行电场介导的能量转移导致离子和电子VDF在平行于磁场的方向上的显著结构化。傅立叶模式表示的离子和电子gyroradii之间的长度尺度表明,能量转移是共振的性质,本地化的朗道共振的速度空间中的每个傅立叶模式。能量转移密切遵循朗道共振速度与变化的垂直波数$k_\perp$和等离子体$β$。在覆盖模拟耗散范围的所有诊断傅立叶模式中观察到与朗道阻尼一致的这种共振签名。
2019-09-05 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Gyrofluid simulations of turbulence and reconnection in space plasmas
本文利用哈密顿双场陀螺流体模型研究空间等离子体从MHD尺度到电子趋肤深度的湍流与磁重联,揭示强非平衡级联、温度比影响及电子有限拉莫尔半径修正,并讨论四场推广模型。
2024-01-08 physics.plasm-ph physics.space-ph
Physics of collisionless reconnection in a stressed X-point collapse
最近,我们用动力学的、2.5维的、完全电磁的、相对论的Particle-in-Cell数值程序[D. Tsiklauri和T.等离子体,14,112905(2007)]。在这里,我们通过解决关键的悬而未决的物理问题来完成对这一主题的调查。本文证明:(i)磁场零点处的面外电场重联是由电子压力张量的非对角项产生的,类似于GEM重联挑战所研究的撕裂不稳定Harris电流片的情况:(ii)当m_i / m_e >> 1时,重联通量的时间演化与离子电子质量比无关;在m_i / m_e = 1的情况下,当Hall项为零时,重联过程缓慢;当m_i / m_e >> 1时,重联过程缓慢(即霍尔项是非零的)重联是快速的,并且我们推测这是由于磁场被冻结到电子流体中,电子流体比离子流体移动得更快;(iii)在一个阿尔芬时间内,略低于初始总数的一半(40%)(大致为磁)能被转换成电子的动能,并且略多于一半(60%)被转换成离子的动能(类似于太阳耀斑观测);(iv)在强应力X点的情况下,在大约一个阿尔芬时间内,对于超热电子(也与太阳耀斑观测相当),在速度分布的所有三个空间方向上看到完全各向同性。
2008-09-25 astro-ph physics.plasm-ph physics.space-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$β_\mathrm{i}\gg…
2019-01-15 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Kinetic turbulence in fast 3D collisionless guide-field magnetic reconnection
虽然湍流已被证实对磁重联很重要,但人们对它在无碰撞等离子体中的作用仍知之甚少。以前试图量化湍流对重联的影响时,通常采用阿尔文涨落或其他低频涨落,或者仅在二维构型和反平行磁场中研究无碰撞动力学效应。鉴于此,本文利用三维粒子模拟程序,在频率和波数空间分析了三维导场通过无力电流片重联自发产生的动力学湍流。我们的研究揭示了重联率和动力学湍流的功能类似于目前在现场的航天器观测MMS以及在实验室重联实验MRX,VTF和\textsc{Vineta} -II。特别是,我们发现,动力学湍流发展过程中的3D导场重联表现出宽带幂律频谱扩展超出低杂波频率和电子频率。在频率空间中,湍流的谱指数在重联X线处接近-2.8。在波数空间中,当归一化重联率达到0.1时,它也变为-2.8。宽带动力学湍流主要是由于在足够薄的动力学重联电流片中激发的电流流和电子流剪切不稳定性。动力学湍流的增长对应于高的重连率,超过那些快速层流,非湍流重连。
2018-11-02 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Discovery of Density Limit Disruption Induced by Core-localized Alfv${é}$nic Ion Temperature Gradient Instabilities in a Tokamak Plasma
Center for Fusion Sciences, Southwestern Institute of Physics(西南物理研究院聚变科学中心);Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Science(中国科学院等离子体物理研究所)
研究发现核心局部化阿尔维恩离子温度梯度不稳定性引发等离子体密度限制破坏,为未来聚变反应堆提供关键理解。
2026-01-22 physics.plasm-ph
Amplitude limits and nonlinear damping of shear-Alfvén waves in high-beta low-collisionality plasmas
这项工作扩展了Squire等人[ApJL,830 L25(2016)],探索了自生压力各向异性对低碰撞等离子体中线性偏振剪切Alfvén波动的影响。这样的各向异性导致严格的限制,在高β等离子体中的磁扰动的幅度,在此之上的波动可以通过平行消防水龙带不稳定性本身不稳定。这导致波的频率接近零,“中断”波并停止其振荡。这些影响进行了详细探讨,在碰撞和弱碰撞“Braginskii”制度,驻波和行波。重点是简化模型在一个维度上,尺度远大于离子回旋半径。这种效应对在许多天体物理等离子体中普遍存在的高β条件下的磁化湍流物理学有着有趣的影响。
2017-01-11 astro-ph.CO astro-ph.HE physics.plasm-ph
Evolutionarity of MHD shock waves in collisionless plasma with heat fluxes
本文在 8 矩近似下研究带热通量无碰撞等离子体中 MHD 激波的演化性,利用平行激波解在无量纲参数平面上确定快、慢激波的演化区域。
2024-01-28 physics.plasm-ph
Towards a Simple Model of Compressible Alfvenic Turbulence
本文研究了磁化系统中一个简单的无碰撞、耗散、可压缩MHD湍流模型。与更熟悉的湍流范例相反,耗散来自朗道阻尼,通过非线性进入,并分布在所有尺度上。该理论预测,两个不同的制度或阶段的湍流是可能的,这取决于陡峭的阻尼系数(m_1/m_2)的比率。对于强阻尼(|m_1/m_2| <1),预测了平滑的流体动力学湍流的状态。为|m_1/m_2|>1,在水动力极限下不存在稳态湍流。相反,预测的是尖峰状的小尺度结构。
1997-07-26 adap-org astro-ph nlin.AO
Collisionless plasma expansion in the presence of a dipole magnetic field
在2D3V混合(动力学离子和无质量流体电子)模型的框架下,研究了偶极磁场作用下膨胀高能等离子体云与磁化背景等离子体的无碰撞相互作用.本文用粒子网格法研究了高Alfven马赫数下等离子体云的延迟以及扰动电磁场和背景等离子体的动力学。结果表明,等离子体云膨胀排除环境磁场和背景等离子体,形成一个抗磁腔,这是伴随着无碰撞冲击波的产生。等离子体云和背景等离子体之间的能量交换也进行了研究和定性的协议与以前建议的分析模型。
2009-05-01 physics.comp-ph physics.plasm-ph
A Model for Dissipation of Solar Wind Magnetic Turbulence by Kinetic Alfvén Waves at Electron Scales: Comparison with Observations
在流体动力学湍流中,耗散尺度的长度取决于能量级联率,即,每单位质量的能量输入率越大,就越需要将湍流波动驱动到越来越小的尺度以耗散更大的能通量。磁谱能量密度的观测表明,这种直观的图像是不成立的太阳风湍流。耗散似乎在不同的太阳风条件下以相同的长度尺度开始,与能量通量无关。为了更详细地研究这种差异,我们提出了一个解析耗散模型太阳风湍流在电子尺度上,我们观察到的谱密度进行比较。我们的模型结合了从大尺度到小尺度的能量传输和无碰撞阻尼,这将能量从动力学机制中的磁波动中去除。我们假设动力学Alfvén波(KAW)的波粒相互作用是主要的阻尼过程。由热等离子体色散关系得到了KAW的波频率和阻尼率。我们的模型假设一个临界平衡湍流,较大的能量级联率激发较大的平行波数为一定的垂直波数。如果耗散是额外的波浪驱动,使得耗散率与平行波数成比例(如KAW),则能量级联率的增加被相同垂直波数的耗散率增加抵消,导致耗散长度与能量级联率无关。
2017-01-03 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Interactions Between Two Magnetized Plasma Pressure Filaments: Drift-Alfvén Modes and Transport
University of Alberta(阿尔伯塔大学);General Atomics(通用原子能公司)
实验研究磁化等离子体压力丝状结构间距对漂移-阿尔文模耦合与输运的影响,发现间距小于无碰撞趋肤深度时发生强耦合与电荷能量转移。
2026-09-22 physics.plasm-ph physics.space-ph
Strongly localized magnetic reconnection by the super-Alfvenic shear flow
我们证明了超阿尔文剪切流对磁场的拖曳作用可以使重联x线在无碰撞等离子体中强烈局域化,从而使重联x线处的电流方向发生逆转.这种新的形态,这是不可能的连续磁流体动力学(MHD)的重新连接,使电子惯性。令人惊讶的是,准稳定的重联率仍然是0.1的顺序,即使当地的x线几何的纵横比大于1。我们解释了这一点,通过检查运输的重联磁通量和开口角由上游磁场,得出的结论是,重联率仍然是有限的约束施加在流入区域。这项研究进一步表明,几乎普遍的0.1阶快速率值不能用撕裂模的物理学来解释,也不能用普遍的局域化机制来解释。
2018-06-01 astro-ph.EP astro-ph.HE physics.plasm-ph
Firehose and Mirror Instabilities in a Collisionless Shearing Plasma
采用混合动力学方法对无碰撞等离子体中的水龙带不稳定性和镜像不稳定性进行了数值模拟,其中压力各向异性是由持续线性剪切$S$改变磁场而驱动的。对于一个减少的字段,它被发现,主要是斜消防水龙带波动增长在离子拉莫尔尺度和饱和的能量$\sim$ $S^{1/2}$,压力各向异性钉扎在稳定性阈值的粒子散射的微尺度波动。相比之下,非线性镜波动较大的离子拉莫尔规模和增长世俗的时间;边际是由越来越多的人口共振粒子被困在磁镜。在一个剪切时间后,形成饱和的有序统一磁镜,并且粒子从它们的尖锐边缘散射。这两种不稳定性驱动亚离子拉莫尔尺度波动,这似乎是动力学阿尔文波湍流。我们的研究结果影响了天体物理和空间等离子体中的动量和热量传输理论,其中磁场的剪切拉伸是一个通用的过程。
2014-05-02 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Large amplitude electromagnetic solitons in a fully relativistic magnetized electron-positron-pair plasma
采用完全相对论性的双流体模型,考虑了弱相对论性$(P\ll nmc^2)$和超相对论性$(P\gg nmc^2)$随机热能的物理机制,研究了磁化正负电子等离子体中纯定常大振幅电磁孤波的非线性传播.这里,$P$是热压,$n$是粒子的数密度,$m$是粒子的质量,$c$是真空中的光速。文献[Phys. Plasmas \textbf{11},3078(2004)]中的先前理论通过电子和正电子两者的相对论热运动而被推进和推广。在弱相对论区域中,亚阿尔夫孤子和超阿尔夫孤子共存,而在超相对论EP等离子体中,亚阿尔夫孤子只存在.在这两个物理区域中,我们还研究了不同的马赫数和孤子振幅的极限。
2020-06-04 physics.plasm-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
Formation and Evolution of Pair-Alfvén Shocks with PIC Simulations
本研究通过一维和二维PIC模拟,探究无碰撞正负电子等离子体中正负电子对阿尔芬激波的稳定条件与增长机制,明确了自生阿尔芬波的维持作用及磁场强度、共振对激波存在的影响。
2025-07-29 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Proton, Electron, and Ion Heating in the Fast Solar Wind from Nonlinear Coupling Between Alfvenic and Fast-Mode Turbulence
在经历最少库仑碰撞的日冕和太阳风部分,组成质子、电子和重离子的粒子数彼此之间并不处于热平衡。所观察到的温度,流出速度和速度分布各向异性的差异是有用的约束,建议解释如何加热和加速等离子体。本文提出了新的预测率的无碰撞加热的每种粒子,其中的能量输入假定来自磁流体动力学(MHD)湍流。我们首先创建了一个经验描述的径向演变的阿尔芬,快模式,慢模式MHD波。该模型提供了在高速太阳风中,每种模式下的总波功率作为沿着膨胀通量管的距离的函数。接下来,我们求解了一组级联对流扩散方程,给出了每个距离处的时间稳定波数谱。的阿尔芬和快模波动之间的非线性耦合的近似项。在合理选择参数的情况下,我们的模型包含了足够的能量从快模转移到Alfven模,以激发高频离子回旋共振。这种共振是有效的加热质子和其他离子在垂直于背景磁场的方向,我们的模型预测这些物种的加热速率,以及同意光谱和原位测量。尽管如此,高频波只占整个阿尔芬波动频谱的一小部分,而阿尔芬波动频谱仍然是行星际空间中观察到的高度二维的。
2012-05-21 astro-ph.SR physics.plasm-ph