A review on solar wind modeling: kinetic and fluid aspects
我们回顾了太阳风（SW）的动力学外逸层和流体模型的主要优点和局限性。讨论了Chapman提出的流体静力学模型、Parker提出的第一代超音速流体动力学模型和Chamberlain提出的第一代亚音速动力学模型。结果表明，正确估计的电场在第二代动力学外逸层模型开发的Lemaire和Scherer，提供了一个超音速膨胀的电晕，调和的流体动力学和动力学的方法。第三代动力学外逸层模型考虑kappa速度分布函数（VDF）而不是外底处的Maxwell分布函数，此外，它们处理电势随径向距离的非单调变化;第四代外逸层模型包括基于Fokker-Planck碰撞项的库仑碰撞。太阳风的多流体模型提供了一个粗粒度的描述，并成功地再现了SW宏观属性（密度，体积速度）的时空变化。回顾了多流体SW模型的主要类别：最初由Parker提出的描述超音速SW膨胀的5-矩或Euler模型; 8-矩和16-矩流体模型;改进碰撞项的回旋方法以及基于观测VDF的回旋模型。碰撞，包括远程库仑遇到的突出问题，也进行了讨论，无论是在动力学和多流体的背景下。尽管几十年来这两种方法一直被视为对立的，但在本文中，我们强调它们的互补性。的太阳风的动力学和流体模型的审查也有助于更好地评估仍然存在于SW建模的开放性问题，并建议可能的未来发展。
2013-06-04 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Fluid energy cascade rate and kinetic damping: new insight from 3D Landau-fluid simulations
使用不可压缩霍尔磁流体动力学（HMHD）湍流的精确定律，从三维HMHD-CGL（双绝热离子和等温电子）和朗道流体（LF）的数值模拟，具有不同强度的朗道阻尼在很宽的波数范围内，通常$0.05\lesssim k_\perp d_i \lesssim100$计算的能量级联率。使用三套跨尺度模拟，其中湍流在大，中，小尺度启动，在不同尺度的流体能量级联的能力进行测试，以“感测”的动力朗道阻尼。级联率估计从精确的法律和直接从模拟计算的耗散显示，以反映朗道阻尼耗散能量在所有尺度上的作用，重点是动力学的。这一结果为在动力学模拟和航天器观测中使用简化流体模型的精确定律分析耗散提供了新的前景，并为无碰撞磁化等离子体的理论描述提供了新的见解。
2021-10-13 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Effects of electron drift on the collisionless damping of kinetic Alfvén waves in the solar wind
各向异性Alfvénic湍流的无碰撞耗散是解决太阳风加热问题的一个有希望的候选者。广泛的研究考察了简单麦克斯韦或双麦克斯韦等离子体中阿尔文波的动力学性质。然而，在太阳风中观测到的电子速度分布函数更为复杂。在这项研究中，我们分析了动力学阿尔文波在等离子体中的两个漂移电子布居的性质。我们数值求解线性化的麦克斯韦-弗拉索夫方程组，发现阻尼率和动力学阿尔芬波的质子-电子能量分配显着修改等离子体中，相比没有电子漂移的等离子体。我们认为，电子漂移是一个重要的因素考虑时，考虑的阿尔夫文湍流的耗散在太阳风或其他$β\sim 1$天体物理等离子体。
2015-05-10 astro-ph.SR physics.space-ph
Kinetic models of tangential discontinuities in the solar wind
在太阳风中观察到的动力学尺度电流片经常近似于无力，尽管它们的等离子体$β$是1的量级。最近的现场测量表明，等离子体密度和温度经常在整个电流片上变化，而等离子体压力近似均匀。在许多情况下，这些密度和温度变化相对于电流片的中心是不对称的。为了从理论上模拟这些观测结果，我们在本文中开发了具有等离子体密度和温度梯度的动力学尺度无力电流片的平衡。该模型也可用于分析太阳风中电流片的稳定性和耗散。
2020-01-30 astro-ph.SR physics.space-ph
Energy dynamics and current sheet structure in fluid and kinetic simulations of decaying magnetohydrodynamic turbulence
用流体和动力学程序对衰减磁流体动力学（MHD）湍流进行了模拟。初始条件是长波长、反向传播的剪切阿尔芬波的集合，它们相互作用并迅速产生强MHD湍流。总能量守恒和湍流能量衰减率是非常相似的两个代码，虽然流体代码有数值耗散，而动力代码有动力耗散。惯性距离功率谱指数在两个代码中是相似的。流体代码显示垂直波数谱斜率为$k_{\perp}^{-1.3}$。动力学代码示出了用于较小模拟域的$k_{\perp}^{-1.5}$的谱斜率，以及用于较大域的$k_{\perp}^{-1.3}$的谱斜率。我们估计，无碰撞阻尼机制的动力学代码可以解释所观察到的非线性能量级联的耗散。对当前图纸进行几何特征化。它们的长度和宽度在两个代码之间是很好的协议。长度与湍流的驱动尺度成线性比例。在流体代码中，它们的厚度由网格分辨率确定，因为没有显式扩散率。在动力学代码中，它们的厚度非常接近趋肤深度，而与网格分辨率无关。这项工作表明，动力学代码可以再现MHD惯性范围内的动态在大尺度上，而在同一时间捕获重要的动力学物理在小尺度上。
2015-06-01 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Common Origin of Kinetic Scale Turbulence and the Electron Halo in the Solar Wind -- Connection to Nanoflares
本文总结了近年来我们在电子速度分布函数中对太阳风动力学尺度湍流和电子晕起源的研究。越来越多的纳米耀斑和微观III型射电暴的观测强烈表明，纳米耀斑和加速电子束在日冕中很常见。基于Particle-in-Cell模拟，我们发现在太阳风中观测到的核晕特征和动力学尺度湍流都是由纳米耀斑加速电子束驱动的电子双流不稳定性的非线性演化产生的。波和粒子之间的能量交换在内日冕中达到平衡，并且当太阳风沿着开放的磁场线逃逸到行星际空间时，湍流和速度分布的关键特征得以保留。观测测试的模型和未来的理论工作进行了讨论。
2016-03-02 astro-ph.SR physics.space-ph
Kinetic vs. multi-fluid approach for interstellar neutrals in the heliosphere: exploration of the interstellar magnetic field effects
提出了一个新的太阳风与局域星际介质相互作用的三维自洽双组分（等离子体和中性氢）模型。该模型（K-MHD）结合了太阳风和电离LISM分量的MHD处理，以及中性星际氢的动力学模型（LISH）。局部星际磁场（BLISM）强度和方向是根据日鞘流的早期分析来选择的（Opher等人，2009年）。使用（K-MHD）模型获得的等离子体和中性粒子的特性与以前的多流体模型（Opher等人，2009）和动力学模型（Izmodenov等人，2005）进行了比较。LISH的新治疗方法揭示了日光层性质的重要变化，而不是由多流体模型捕获。这些变化包括到终端激波（TS）的日心距离减小、日鞘变薄以及日鞘流偏转角（θ）减小。然而，终止激波的不对称性似乎不受LISH动力学方面的影响。
2011-03-16 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Bi-Directional Energy Cascades and the Origin of Kinetic Alfvénic and Whistler Turbulence in the Solar Wind
观测到的太阳风中的亚质子尺度湍流光谱提出了湍流如何起源的问题。在太阳静止期对千电子伏高能电子的观测表明，它们可能是驱动湍流的自由能来源。使用粒子在细胞中的模拟，我们探讨如何在高能电子的自由能，释放的电子双流不稳定性驱动韦伯一样的电磁波，激发波波相互作用。因此，动力学Alfvénic波和哨声波都被激发，并通过反向和正向磁能级联演化。
2014-01-01 astro-ph.SR physics.space-ph
On Kinetic Slow Modes, Fluid Slow Modes, and Pressure-balanced Structures in the Solar Wind
对太阳风的观测表明，惯性范围内太阳风湍流的压缩分量主要由慢模式控制。太阳风的低碰撞性允许非热特征存活，这表明需要动力学等离子体描述。最小阻尼的动力学慢模式与离子声（IA）波和非传播（NP）模式。我们推导出解析表达式的IA-波的色散关系在各向异性等离子体的框架中的gyrokinetics，然后比较它们的全动力学的数值计算，从双流体理论，和MHD的结果。这种比较表明，在中等到高$β$下，MHD和动力学理论预测的波相速度存在重大差异。磁流体力学和动力学理论还规定，所有的等离子体正常模式表现出独特的签名方面的极化。我们量化的相对振幅的波动在三个最低的粒子速度的时刻与IA和NP模式的gyrokinetic限制，并比较这些预测与MHD的结果和太阳风湍流的原位观测。波偏振的观测结果和我们的MHD预测之间的一致性好于动力学预测，这表明等离子体的行为比预期的更像太阳风中的流体。
2017-05-18 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Linear and Non-Linear Landau Resonance of Kinetic Alfvén Waves: Consequences for Electron Distribution and Wave Spectrum in the Solar Wind
研究了太阳风中的动力学Alfven波湍流，结果表明非麦克斯韦电子分布函数对太阳风等离子体动力学有重要影响。线性朗道阻尼导致平行电子分布函数中的平台的形成，其显著减小朗道阻尼率。波的非线性散射等离子体粒子被推广到短波长，它被发现，对于太阳风参数，这种散射是占主导地位的过程相比，三波衰减和合并的波矢量范围。合并这些影响导致陡峭的频谱之间的惯性和耗散范围的频谱指数在2和3之间。该区域可以被标记为散射范围。在太阳风等离子体中已经观察到这种陡峭化。
2010-08-05 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Collisionless transport equations derived from a kinetic exospheric solar wind model with kappa velocity distribution functions
在本文中，我们讨论的碰撞输运方程，连续性，动量和能量守恒，推导出一个动力学的外逸层模型的太阳风的基础上的kappa速度分布函数的电子。该模型是固定的，是基于质子的非单调势能。本研究进行了位于1.5太阳半径和两个不同的值的卡帕指数的外底。所考虑的最大径向距离等于一个天文单位。在质量连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程中引入了由外逸层动力学模型计算的电子和质子速度分布函数的矩。分析和讨论了各组分宏观输运方程中各项的相对重要性。结果表明，基于Kappa速度分布函数的动力学描述严格满足宏观描述太阳风等离子体的输运方程。
2014-10-14 astro-ph.SR physics.space-ph
Kinetic Scale Density Fluctuations in the Solar Wind
我们激励的重要性，研究动力尺度湍流的理解的宏观性质的日光层，如加热的太阳风。然后，我们讨论的技术，动力学规模的密度波动可以测量使用航天器的潜力，包括计算的时间尺度的航天器的潜力，以反应的密度变化。最后，我们比较了离子尺度下的密度谱的形状和基于级联动力学湍流模型的理论预测。我们的结论是，频谱的形状，包括离子尺度平坦化，可以捕获的被动密度波动在大尺度和动力学阿尔芬波湍流在小尺度的总和。
2012-09-29 astro-ph.SR 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
How Nanoflares Produce Kinetic Waves, Nano-Type III Radio Bursts, and Non-Thermal Electrons in the Solar Wind
对日冕和太阳风的观测发现，太阳风是不稳定的，起源于太阳大气表面附近的脉冲事件。日冕活动如何影响太阳风的性质是太阳物理学中的一个基本问题。我们报告了纳米耀斑加速电子束如何影响太阳风的动力学尺度特性和产生相干射电辐射的模拟和理论研究。我们表明，纳米级的加速电子束可以触发非线性电子双流不稳定性，产生动力学阿尔文和哨声波，以及非麦克斯韦电子速度分布函数，与观测的太阳风一致。在我们的模型中产生的等离子体相干辐射与III型、J型和V型太阳射电爆发的观测结果一致。对太阳风动力学模型中存在的问题进行了讨论。
2018-07-28 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR
Fluid vs. kinetic magnetic reconnection with strong guide-fields
在自然界和实验中发现的快速磁重联对理论上的理解很重要。最近的研究表明，在强导场区，两流体磁重联保持快速，而不考虑快色散波的存在。这一结论与动力学模拟的最新结果一致，但与早期双流体研究中的发现相矛盾，后者认为快速色散波是快速重联所必需的。在本文中，我们给出了一个更详细的推导最近的一封信中提出的分析模型，并提出了额外的模拟结果来支持的结论，即在这个制度的磁重联率是独立的碰撞耗散和系统的大小。特别是，我们提出了一个详细的流体和动力学模拟之间的比较，发现很好的协议在重连率和当前层的总长度。最后，我们回顾了早期的双流体研究，得出了不同的结论，并提出了一种替代的解释，其中提出的数值结果。
2015-05-14 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Anisotropy of Solar-Wind Turbulence in the Inner Heliosphere at Kinetic Scales: PSP Observations
太阳风湍流的各向异性是理解日球层尺度间能量传递和场与粒子间能量转换物理的关键问题。使用\emph{Parker Solar Probe}（\emph{PSP}）的测量，我们提出了一个观察的各向异性在动力学尺度上的缓慢，Alfvénic，太阳风的内日球层。\textbf{The magnetic compressibility behaves as expected for kinetic Alfvénic turbulence below the ion scale.}一个陡峭的过渡范围之间的惯性和动力学范围内的所有方向相对于当地的背景磁场方向。发现$k_\perp \gg k_\parallel$的各向异性在过渡区和动力学区都很明显，动力学区的幂次各向异性$P_\perp/P_\parallel > 10$大于过渡区的幂次各向异性，且比1 au的幂次各向异性强.光谱指数在过渡范围内从$α_{t\parallel}=-5.7\pm 1.0$到$α_{t\perp}=-3.7\pm 0.3$变化，在动力学范围内从$α_{k\parallel}=-3.12\pm 0.22$到$α_{k\perp}=-2.57\pm 0.09$变化。相应的波矢各向异性在过渡范围内具有$k_\parallel \sim k_\perp^{0.71\pm 0.17}$的标度，并且在动力学范围内变为$k_\p…
2021-05-15 astro-ph.SR physics.space-ph
Radial Dependence of the Frequency Break Between Fluid and Kinetic Scales in the Solar Wind Fluctuations
我们调查的径向依赖性的谱中断分离的惯性从耗散范围内的行星际磁场波动的功率密度谱，$0.42$和$5.3$ AU之间，在径向对齐信使和风的内日球层和风和ULYSSES的外日球层之间。我们发现，随着日心距的减小，光谱突变向高频方向移动。相应的波数的径向依赖性是$κ_b\sim R^{-1.08}$的类型，与质子回旋阻尼的线性共振条件导出的波数的径向依赖性很好地一致。这些结果支持的结论，从以前的研究表明，回旋共振耗散机制必须参与到频谱级联与其他可能的动力学noncyclotron-resonant机制。
2014-04-08 astro-ph.SR physics.space-ph
Magnetic Field Rotations in the Solar Wind at Kinetic Scales
太阳风磁场包含着广泛尺度的旋转，这在磁流体力学范围内得到了广泛的研究。在这里，我们提出了一个扩展的分析范围之间的离子和电子动力学尺度。旋转角度的分布被认为是近似对数正态分布，在较小的尺度上几乎自相似地移动到较小的角度，但具有较小的、统计学上显著的形状变化。发现具有大于$α$的角度的波动中的能量的分数随着$α$近似指数地下降，其中e折叠角$9.8^\circ$在离子尺度下，$0.66^\circ$在电子尺度下，表明大角度（$α> 30^\circ$）在动力学尺度下不包含显著量的能量。动力学湍流理论和太阳风湍流耗散的影响进行了讨论。
2015-09-15 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Nonlinear Evolution of Ion Kinetic Instabilities in the Solar Wind
对0.29 ~ 1AU的太阳风等离子体的原位观测表明，质子和α粒子通常是非麦克斯韦的，并有动力学不稳定性、温度各向异性、微分离子流和相关的磁涨落谱的证据。SW多离子等离子体中的动力学不稳定性可以导致α粒子的优先加热和磁涨落能量的耗散，从而影响SW的动力学和全局性质。首次使用三维混合模型，其中使用粒子在细胞（PIC）方法将离子模拟为粒子，并将电子处理为流体，我们研究了SW的起始，离子动力学不稳定性的非线性演化和耗散。Alfven/离子回旋加速器和离子漂移不稳定性在靠近太阳的区域（~10R_s）进行了模拟。模型中考虑了太阳风膨胀。该模型产生自洽的非麦克斯韦速度分布函数（VDFs）的不稳定的离子布居，相关的温度各向异性，和几个典型的SW不稳定的情况下，在非线性增长和饱和阶段的不稳定性的波谱。多离子SW等离子体的3D混合建模可用于研究将由帕克太阳探测器任务探索的靠近太阳的SW加速区域。
2019-03-27 astro-ph.SR physics.space-ph
Validity of the Taylor Hypothesis for Linear Kinetic Waves in the Weakly Collisional Solar Wind
航天器对太阳风湍流的单点测量是在相对于湍流等离子体作相对运动的参考系中进行的，这一事实使对这种测量的解释变得复杂。泰勒假设-在快速流动的流体中由静止探针测量的时间波动由流体静止框架中的空间结构的平流主导-通常被假设为简化分析。但是，在即将到来的任务中，如太阳探测器+，湍流的测量可能会违反泰勒假设，这要么是由于等离子体相对于航天器的缓慢流动，要么是由于等离子体波动在小尺度上的分散性质。假设湍流起伏的频率由等离子体支持的线性波的频率表征，我们评估了弱碰撞太阳风中线性动力波模的Taylor假设的有效性。分析表明，哨声波支持的太阳风湍流耗散范围可能违反泰勒假设，而动力学Alfven波支持的耗散范围则不违反泰勒假设。
2014-05-21 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Cross-scale energy transfer from fluid-scale Alfvén waves to kinetic-scale ion acoustic waves in the Earth's magnetopause boundary layer
本文通过观测与计算证明地球磁层顶边界层中流体尺度阿尔芬波可通过磁压梯度驱动压缩模式，加速并加热离子，激发动理学尺度离子声波，从而揭示一种跨尺度能量转移与等离子体加热机制。
2024-11-25 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Kinetic cascade in solar-wind turbulence: 3D3V hybrid-kinetic simulations with electron inertia
理解太阳风湍流中离子回旋半径以下的湍流波动的本质是一个巨大的挑战。最近的研究主要倾向于动力学阿尔文波（KAW）类型的波动，但其他类型的波动具有磁声，哨声和离子伯恩斯坦模式的典型特征，也可以根据等离子体参数发挥作用。在这里，我们调查的亚质子尺度级联的性质与高分辨率的混合动力学模拟的自由衰减湍流在3D 3V相空间，包括电子惯性效应。两个质子等离子体β探索：“中间”$β_p=1$和“低”$β_p=0.2$制度，无论是通常观察到的太阳风和日冕。在$β_p=1$处，磁能谱呈现$k_\perp^{-8/3}$和$k_\|^{-7/2}$幂律，而在$β_p=0.2$处，磁能谱稍陡。然而，这两种制度发展的光谱各向异性一致的$k_\|\sim k_\perp^{2/3}$在$k_\perpρ_p>1$，和明显的小规模的不稳定性。在这种情况下，我们发现，动力学尺度的级联是占主导地位的KAW-like波动在$β_p=1$，而低的$β$的情况下，提出了一个更复杂的方案，表明同时存在不同类型的波动。然而，在这两种制度中，离子伯恩斯坦型波动在最小尺度上的不可忽视的作用似乎出现了。
2017-10-18 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Dispersive and kinetic effects on kinked Alfvén wave packets: a comparative study with fluid and hybrid models
通过对低- $β$等离子体的MHD、Hall-MHD和混合模拟结果的比较，研究了色散和动力学效应对二维扭折Alfvén波包演化的影响.我们发现，霍尔项决定了在流体和混合模型的特征时间$τ^*=τ_a\ell/d_i$的波包的整体演变。波包的色散导致波能转换成内部等离子体能量。当考虑动力学质子时，质子内能的增加有来自等离子体压缩和相空间混合的贡献。后者发生在平行于引导装置磁场的方向上，这是由于质子以阿尔文速度与波包强制的可压缩模式共振。我们的研究结果之字形观测和太阳风能量的影响进行了讨论。
2023-02-13 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Anisotropy of Magnetic Field Spectra at Kinetic Scales of Solar Wind Turbulence as Revealed by Parker Solar Probe in the Inner Heliosphere
利用帕克太阳探测器在日光层内部采集的数据，我们研究了动力学尺度下磁场谱的功率和空间各向异性（即，亚离子尺度左右）在内日球层中的太阳风湍流中。我们发现，磁谱的强各向异性发生在动力学尺度上的最强功率在垂直于当地磁场的方向（形成一个角度θ_B的平均流速）。当θ_B角在90 ° ~ 180 °（或0 °）范围内变化时，磁谱的谱指数在-3.2 ~-5.8之间变化，表明在太阳风湍流中，谱指数在动力学尺度上具有很强的各向异性。使用诊断的基础上的磁螺旋度，我们表明，各向异性的光谱指数可以解释的等离子体模式进行级联在动力学尺度的性质。我们讨论了我们的研究结果，在现有的理论和目前的发展领域。
2022-03-20 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
