Magnetic field amplification and evolution in turbulent collisionless MHD: an application to the ICM
ICM中观测到的磁场的放大和维持通常归因于湍流发电机作用。这通常是由采用碰撞MHD模型。然而，在ICM的离子碰撞之间的平均自由程的动力学尺度的顺序，因此需要一个无碰撞的MHD描述。与碰撞MHD模拟不同，我们的研究使用相对于局部磁场方向的各向异性等离子体压力，这使得等离子体在参数空间内发生无碰撞不稳定性。在所采用的模型中，这些不稳定性通过压力各向异性的弛豫项包含在海湾中，该弛豫项模拟了镜像和消防水龙带不稳定性的反馈。这种弛豫的作用是得到与无碰撞等离子体的经验研究相一致的等离子体分布函数。我们的三维数值模拟的强迫跨音速湍流的激励下的湍流ICM的建模进行了不同的初始值的磁场强度，和不同的压力各向异性的弛豫率。我们发现，在对应于ICM条件的高β等离子体制度，快速各向异性弛豫速率给出的结果是类似的碰撞MHD模型的湍流的统计特性而言。此外，种子磁场的放大，由于湍流发电机的行动是类似的碰撞MHD模型。我们的模拟不采用各向异性弛豫显着偏离碰撞MHD的结果，并显示更多的权力在小尺度的波动的密度和速度代表的结果的不稳定性。对于这些模拟，磁场中的大尺度波动大部分被抑制，并且湍流发电机在放大种子磁场方面失败。
2013-05-24 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Effective Resistivity in Collisionless Magnetic Reconnection
非对角电子雷诺应力是无碰撞等离子体中产生磁重联（MR）的主要原因，它能在磁场重联区产生较大的感应电场。然而，在磁流体动力学（MHD）模拟MR，很难实现完整的雷诺应力，这是动力学的性质。本文从粒子动力学第一性原理出发，提出了有效电阻率的理论模型。推导出的有效电阻率的理论公式进行了验证，通过全粒子模拟（PIC），并讨论了相应的物理。
2017-11-23 physics.plasm-ph
Density jump as a function of the field for parallel relativistic collisionless shocks
本文将强平行磁场下非相对论无碰撞激波模型扩展至相对论 regime，发现密度跃变显著偏离MHD预测并与PIC模拟吻合。
2025-06-09 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Density jump for oblique collisionless shocks in pair plasmas: physical solutions
针对成对等离子体斜向无碰撞激波模型的多下游解问题，本文利用磁场倾斜角接近准则和演化性准则筛选物理解，并经PIC模拟验证，实现唯一或无解的下游配置。
2024-03-04 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Shearing Box Simulations of the MRI in a Collisionless Plasma
我们描述了在无碰撞等离子体中由磁旋转不稳定性（MRI）驱动的湍流的局部剪切盒模拟。无碰撞效应在辐射效率低的吸积流中可能很重要，例如在银河系中心的黑洞附近。修改ZEUS的MHD版本以演化各向异性压力张量。采用流体封闭近似计算沿磁场线的热传导。各向异性的压力张量提供了一个定性的新机制，运输角动量吸积流（除了麦克斯韦和雷诺应力）。我们估计的压力各向异性的限制，由于俯仰角散射的动力学不稳定性。这种不稳定性在无碰撞等离子体中提供了有效的“碰撞”率，并导致更类似MHD的动力学。我们发现，MRI导致有效的增长的磁场在无碰撞的等离子体，与那些在MHD的饱和振幅。在饱和状态下，各向异性应力与麦克斯韦应力相当，这意味着在无碰撞等离子体中角动量输运速率可能会适度增强。
2005-08-25 astro-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
Kinetic Simulations of Strongly-Magnetized Parallel Shocks: Deviations from MHD Jump Conditions
激波是天体物理等离子体系统中普遍存在的一种现象，也是能量耗散和传递的重要过程。这些冲击波的物理经常被视为/模拟为碰撞，流体MHD不连续性，尽管事实上，许多冲击发生在无碰撞制度。有鉴于此，使用完全动力学，非相对论，平行传播的电子-正电子等离子体组成的无碰撞冲击的三维模拟，我们详细的偏差无碰撞冲击形式MHD预测不同的磁化/Alfvénic马赫数，特别关注系统的Alfénic马赫数远小于声波马赫数。我们表明，冲击压缩比降低足够大的上游磁场，与Bret & Narayan（2018）的预测一致。此外，我们还研究了磁场强度对冲击波阵面宽度的影响。这项工作加强了越来越多的工作，这些工作表明，仅用流体等离子体描述来建模许多天体物理系统忽略了潜在的重要物理。
2021-10-18 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Transition from collisionless to collisional MRI
Quataert等人（2002年）最近的计算发现，在无碰撞等离子体中，磁旋转不稳定性（MRI）的增长率可能与使用MHD计算的增长率有很大差异。这在致密物体周围的热吸积流中可能很重要。在本文中，我们研究从无碰撞动力学制度的碰撞MHD制度的过渡，映射出的MRI增长率的依赖碰撞。磁化等离子体的动力学封闭方案，包括通过BGK运营商的碰撞的影响。当平均自由程与平行波长$2π/k_{\Par}$相比变短时，发生向MHD的过渡。在弱磁场状态下，阿尔文和MRI频率$ω$与声波频率$k_{\Par} c_0$相比很小，即使$ω\ll ν$，只要碰撞频率$ν\ll k_{\Par} c_{0}$，动力学仍然有效地无碰撞;对于吸积流，这需要$ν\lsim Ω\sqrtβ$。低碰撞制度不仅修改了MRI的增长率，但也介绍了碰撞朗道或巴恩斯阻尼的长波长模式，这可能是重要的非线性饱和的MRI。
2003-06-13 astro-ph physics.plasm-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
Comparison of MHD and gyrokinetic simulations of linear instabilities at the q = 1 surface
本文比较了回旋动理学和 MHD 代码对托卡马克核心内部扭曲模和无碰撞撕裂模的模拟，发现通过合理设置参数两者在描述内部扭曲模时可达成一致，但无碰撞撕裂模需超越 MHD 的高级处理。
2025-10-14 physics.plasm-ph
Density jump for oblique collisionless shocks in pair plasmas: allowed solutions
等离子体中的冲击波通常用磁流体力学（MHD）来处理。然而，MHD需要一个短的平均自由程的假设，这是不符合无碰撞等离子体。最近，对等离子体，我们设计了一个模型，允许占内的MHD形式主义的动力学效应。它依赖于对穿越前缘时产生的各向异性的估计，以及对下游各向异性稳定性的后续评估。我们解决了我们的模型的平行，垂直和开关的冲击。在这里，我们之间的桥梁，所有这些情况下处理的问题，任意的，但共面，定向磁场。即使提出的形式主义是有效的各向异性的上游温度，只有一个冷上游的情况下解决。我们发现额外的解决方案，这是不是MHD目录的一部分，和密度跳变，是显着少的准平行，高磁化，制度。由于计算的复杂性，这项工作主要致力于介绍我们的模型的数学方面。即将发表的一篇文章将专门讨论这里定义的冲击的物理学。
2022-11-23 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Extension of the Electron Dissipation Region in Collisionless Hall MHD Reconnection
本文提出了Sweet-Parker型标度参数的背景下，超阻霍尔磁流体动力学（MHD）。预测的稳态标度与Chacón等人[PRL 99，235001（2007）]发现的标度一致，尽管与该研究一样，未预测电子耗散区\emph{length}。数值实验证实，尖点状和适度更扩展的几何形状是可实现的。然而，重要的是，电子耗散区的长度，这是作为一个参数，最近的几项研究，被发现明确地依赖于超电阻率的水平。此外，尽管超电阻率可以产生更扩展的电子耗散区域，但是对于这里考虑的最大超电阻率值，该区域的长度仍然小于一个离子趋肤深度。这些电子耗散区显着短于那些在最近的动力学研究中看到的。电子耗散区的长度被发现依赖于电子惯性以及，缩放像$(m_e/m_i)^{3/8}$。然而，该区域的厚度看起来类似地成比例，使得纵横比最多非常弱地依赖于$(m_e/m_i)$。标度理论不能预测电子耗散区的长度的局限性被强调。
2009-09-16 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
Modified jump conditions for parallel collisionless shocks
在磁流体动力学（MHD）的背景下，平行激波的特性不依赖于场强，因为对于这样的几何形状，场和流体是断开的。然而，在无碰撞的情况下，该领域可以维持稳定的各向异性在下游，触发偏离预期的MHD行为。在最近的工作[A。Bret和R. Narayan，J. Plasma Phys. \textbf{84}，905840604（2018）]，提出了一个理论模型，允许导出电子/正电子等离子体中非相对论性平行无碰撞激波的密度比，作为场的函数。在这里，我们得到的熵，压力和温度的跳跃源于这个模型。它被发现提供了一个3D和1D之间的过渡下游的跳跃密度，熵，平行的温度和平行的压力。
2021-07-21 astro-ph.HE 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
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
Density jump as a function of magnetic field strength for parallel collisionless shocks with anisotropic upstream pressure
无碰撞激波的性质经常在磁流体动力学（MHD）模型中进行评估。然而，在无碰撞等离子体中，环境磁场可以在上游或下游维持稳定的各向异性，导致偏离MHD预测的行为。我们提出了一个模型，允许推导出下游各向异性，因此冲击密度跳跃，在上游量。为简单起见，考虑了成对等离子体中平行激波的情况。与上游假定各向同性的以前的工作相反，这里的上游各向异性$A=T_\perp/T_\parallel$是一个自由参数。强声激波区在形式上与各向同性上游情况相同。然而，对于中等音速马赫数，由于上游的各向异性，出现了各种行为。
2023-02-13 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.geo-ph
Magnetic Reconnection under Anisotropic MHD Approximation
利用基于双绝热近似和Landau闭合模型的一维和二维无碰撞MHD程序，研究了无碰撞磁重联中慢模激波的形成。我们弥合了Petschek型MHD重联模型伴随着一对慢激波和观测证据的罕见场合的原位慢激波观测之间的差距。结果表明，一旦发生磁重联，下游区域将出现感压各向异性，产生的慢激波与各向同性MHD中的慢激波相比非常弱。尽管激波很弱，但由此产生的重联率比各向同性情况下的重联率高10-30%。这一结果表明，慢激波在重联系统的能量转换中不一定起重要作用，这与地球磁层的卫星观测结果是一致的。
2013-10-28 astro-ph.EP physics.plasm-ph physics.space-ph
Instabilities of collisionless current sheets revisited: the role of anisotropic heating
在这项工作中，我们研究的各向异性加热的影响，对自发不稳定性和薄哈里斯型无碰撞电流片，嵌入在反平行磁场的演变。特别是，我们探索的影响，使用2D版本的PIC代码ACRONYM的宏粒子形状功能。我们还调查的作用，由于在PIC码的有限数量的宏粒子的数值碰撞。它示出，它是适当的，以选择高阶形状函数的宏粒子相比，每个细胞的宏粒子的数量更大。这允许更好地估计各向异性电子加热由于在PIC代码中的宏粒子的碰撞。温度各向异性可以稳定撕裂模不稳定性，并触发额外的电流片不稳定性。我们发现了一个很好的协议之间的分析推导出的各向异性撕裂模式和其他不稳定性，无论是自发发展或最初触发的稳定阈值。在电子时间尺度上引起各向异性加热的数值效应对于更高的质量比（高于$m_i/m_e = 180$）变得特别重要。如果仔细考虑数值效应，可以恢复理论估计的线性增长率的撕裂不稳定性薄各向同性碰撞电流片，也为更高的质量比。
2015-01-24 physics.plasm-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
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
Ion-acoustic shocks with reflected ions: modeling and PIC simulations
非相对论性无碰撞激波广泛存在于空间和天体物理等离子体中，被称为高效的粒子加速器。然而，我们对无碰撞冲击的理解，包括它们的结构和它们加速粒子的机制仍然不完整。我们在这里提出的结果的数值模拟的离子声碰撞无冲击的基础上的一维（1D）动力学近似的电子和离子与一个真正的质量比。特别强调的是作为冲击耗散的主要驱动程序的冲击反射离子。根据激波参数研究了反射效率、反射粒子速度分布和激波静电结构。本文讨论了粒子加速在地球物理和天体物理冲击中的应用。
2015-03-26 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
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
Conditions of structural transition for collisionless electrostatic shock
本研究通过一维PIC模拟发现无碰撞静电冲击在高密度梯度下转变为双层结构，阈值密度比约为40，并更新模型预测临界马赫数，提出基于加速分数预测冲击速度的半解析方法。
2023-08-08 physics.plasm-ph
Estimation of Effective Viscosity to Quantify Collisional Behavior in Collisionless Plasma
本研究针对近无碰撞等离子体耗散形式不明的问题，通过2.5D动力学PIC湍流模拟结合尺度滤波法估算各尺度有效黏度，验证了设定该黏度的MHD和双流体模拟与PIC模拟整体行为高度相似，并探究了有效黏度的尺度依赖性。
2025-09-04 physics.plasm-ph physics.space-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
Density jump as a function of magnetic field for collisionless shocks in pair plasmas: the perpendicular case
在没有频繁的二元碰撞等离子体各向同性，磁流体动力学（MHD）的朗肯-Hugoniot跳跃条件的实现无碰撞冲击是不平凡的。特别是，外部磁场的存在可以允许稳定的各向异性，这意味着一些偏离各向同性MHD跳跃。这种各向异性在磁场方面的函数依赖性尚待确定。通过假设等离子体通过冲击波阵面的动力学历史，我们最近设计了一种下游各向异性的理论，因此在平行冲击的场强方面存在密度跳跃[J. Plasma Phys.（2018），vol. 84，905840604]。这里，我们将分析扩展到垂直激波的情况。我们仍然发现，该领域减少了密度跳跃，但效果是不太明显，比在平行的情况下。
2019-05-20 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR
Collisionless shocks in laboratory astrophysics experiments
基于两种不同的碰撞算法及其在两个著名的粒子模拟程序EPOCH和SMILEI中的实现，研究了等离子体碰撞对激光驱动无碰撞激波形成和离子加速的影响。在这种设置中，超强入射激光脉冲在厚靶中产生热电子，在激光-等离子体界面处发射静电冲击，同时还通过钻孔效应推动界面。我们观察到，在不同程度上，由于碰撞和改进（$\ge 10\%$）的准单能离子的能谱中的PIC代码EPOCH和SMILEI的空间电荷效应的减弱。这些结果确定了实验室天体物理学实验中无碰撞冲击的“无碰撞性”。
2019-07-10 physics.plasm-ph
On the ions acceleration via collisionless magnetic reconnection in laboratory plasmas
这项工作提出了一个分析的离子流出磁重联在整个完全动力学模拟与典型的实验室等离子体值。在电流片上考虑了密度和磁场的对称初始配置。在分析了一组九个模拟的行为与减少的质量比和置换值的三个初始电子温度和磁场强度，最佳的离子加速方案进一步研究了与现实的质量比的离子动力学和能量预算。有趣的是，一系列的冲击波结构中观察到的流出，类似于最近的磁流体动力学（MHD）模拟中发现的激波不连续性。在几个距离的重联点的离子流出的分析，根据可能的实验室应用。分析表明，磁重联可用作等离子体加速的工具，其应用范围从电推进到离子热束的产生。
2016-10-28 physics.plasm-ph
Magnetic reconnection: from MHD to QED
本文探讨了利用激光等离子体研究磁场线重联和带电粒子加速的新制度的前景。通过分析磁流体动力学方程和电子磁流体动力学方程的精确自相似解，讨论了与等离子体中电流片形成有关的三维结构中等离子体动力学的基本特征。在此基础上，研究了在超相对论极限下，当多束激光脉冲在无碰撞等离子体中产生极性相反的磁场时，在位移电流占主导地位的情况下，产生的大尺度强电场的磁场湮灭问题。该场导致磁能转换成薄电流片内加速粒子的动能。讨论了当辐射摩擦和量子电动力学效应占主导地位时，磁场重联过程中带电粒子的加速问题。
2016-10-12 physics.plasm-ph
Biermann-battery driven magnetized collisionless shock precursors in laser produced plasmas
本研究在OMEGA装置上通过激光产生磁化等离子体与未磁化氢等离子体碰撞，首次完整观测到Biermann电池驱动的磁化无碰撞激波前驱，结合多类模拟验证了相关过程与电子加速结果。
2024-09-04 physics.plasm-ph
Density jump as a function of magnetic field strength for perpendicular collisionless shocks with anisotropic upstream pressure
本文通过假设垂直流动方向温度在激波波阵面守恒来封闭 MHD 方程组，研究了上游压力各向异性垂直无碰撞激波的密度跳跃随磁场强度的变化，揭示了 MHD 无法描述的丰富行为，并与平行激波情形进行了比较。
2023-06-29 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-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
Particle-in-cell simulations of collisionless shock formation via head-on merging of two laboratory supersonic plasma jets
我们描述了数值模拟，使用粒子在细胞（PIC）和混合PIC代码Lsp [T。P. Hughes等人，物理修订版ST加速Beams 2，110401（1999）]，两个实验室超音速等离子体射流的迎面合并。这些实验的目的是在实验室中形成和研究与天体物理学有关的无碰撞冲击。使用等离子体射流的初始条件（密度约为10^14-10^16 cm^（-3），温度约为几eV，传播速度约为20-100 km/s），射流传播的大规模模拟表明，在合并区域，两股射流之间的相互作用基本上是无碰撞的。在高分辨率的一维和二维模拟中，我们表明，无碰撞冲击所产生的合并射流时，沉浸在施加的磁场（B ~ 0.1-1千克）。在预期的等离子体射流速度高达100 km/s时，我们的模拟不会产生非磁化的无碰撞冲击，这需要更高的速度。磁场的方向以及射流的轴向和横向密度梯度对相互作用的性质具有强烈的影响。我们比较我们的一些模拟结果与以前发表的PIC模拟研究的无碰撞冲击波的形成。
2013-05-24 astro-ph.HE 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
Global gyrokinetic particle-in-cell simulations of internal kink instabilities
采用电磁回旋动力学粒子模拟程序（PIC）研究了直线托卡马克中的内扭结不稳定性。用PIC程序成功地模拟了理想MHD内扭结模和无碰撞$m = 1$撕裂模。抗磁效应的内部扭结模式也进行了研究。
2012-09-26 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
Counter-streaming heat-flux closure for electron-only collisionless magnetic reconnection
University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）；Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）；University of Maryland, College Park（马里兰大学帕克分校）；Universidade de Lisboa（里斯本大学）
研究仅电子无碰撞磁重联中电子热通量问题，通过粒子模拟找到其物理起源是电流片两侧电子亚群反向流，据此提出新流体闭合，能在低参数时准确捕捉相关物理量，实现高效流体建模。
2026-07-09 physics.plasm-ph
Fluctuation Dynamo in Collisionless and Weakly Collisional Magnetized Plasmas
在弱碰撞的天体物理等离子体中，如星系团的团内介质中，宇宙磁场的混沌流体运动的放大受到磁场排列的压力各向异性的绝热产生的阻碍。这种各向异性驱动了平行于磁场的粘性应力，抑制了等离子体拉伸磁场线的能力。我证明，通过使用动力学模拟，在高$β$等离子体，动力学离子拉莫尔尺度不稳定性切断热压力和磁压力之间的绝热联系，减少这种粘性应力，从而使发电机操作。两个不同的制度的波动发电机在磁化等离子体中确定：一个在这些不稳定性有效地调节压力各向异性和一个在这种调节是不完善的。我阐明了这些动力学不稳定性的等离子体粘度的作用，并确定如何的字段和流量的自我组织，让发电机在面对平行的粘性应力。在有效的压力各向异性调节的情况下，等离子体发电机非常类似于其更传统的Pm ~ 1 MHD对应物。当调节不完善时，发电机表现出与磁流体发电机饱和状态下的特征显着相似的特征。一套新的微观物理封闭流体模拟，桥梁这两个制度的构建，表现出爆炸性的磁场增长所造成的场强依赖性粘度。发电机在无碰撞和弱碰撞等离子体，然后密切比较彼此，揭示了实质性的差异，如何子平行粘性运动的行为。前者（无碰撞）的情况下，经历了一系列的拉伸运动，以子拉莫尔尺度，导致越来越快的发电机作为磁雷诺数增加。
2019-12-23 astro-ph.HE 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
Planar Collisionless Shock Simulations with Semi-Implicit Particle-in-Cell Model FLEKS
本研究验证了半隐式PIC代码FLEKS用于日球层激波模拟的可行性，明确二维空间模拟的必要性及参数影响，为相关大规模等离子体模拟提供指导。
2025-10-30 physics.plasm-ph physics.space-ph
Magnetohydrodynamic with Adaptively Embedded Particle-in-Cell model: MHD-AEPIC
空间等离子体模拟越来越多地使用磁流体动力学（MHD）和嵌入式粒子单元（PIC）模型。这种结合MHD-EPIC算法模拟使用动力学PIC方法，而在其余的域中采用MHD描述的一些感兴趣的区域。MHD模型是高效的，其流体描述是有效的大部分计算域，从而使大规模的全球模拟可行。然而，在实际应用中，动力学效应的关键区域可以在计算域中变化、出现、消失和移动。如果使用静态PIC区域，则这需要比实际所需大得多的PIC域，这会显著增加计算成本。为了解决这个问题，我们开发了一种新的方法，能够动态地改变PIC模型应用的计算域的区域。我们已经实现了这种新的MHD与自适应嵌入PIC（MHD-AEPIC）算法使用BATS-R-US霍尔MHD和自适应网格粒子模拟器（AMPS）的半隐式PIC模型。我们描述了该算法，并提出了一个测试的情况下，两个合并通量绳，以证明其准确性。该实现使用动态分配/释放内存和负载平衡，以实现高效的并行执行。我们评估MHD-AEPIC的性能相比，MHD-EPIC和大量的计算核心的模型的缩放特性。
2021-08-11 astro-ph.EP astro-ph.IM physics.plasm-ph
Collisionless Shocks Mediated by Shear-Flow Magnetic Fields in Ultraintense-Laser-Produced Counter-Streaming Plasmas
Zhejiang University（浙江大学）
研究通过粒子-网格模拟揭示了超高强度激光产生反向流等离子体中，剪切流离子-魏贝尔不稳定性通过生成磁场介导无碰撞激波形成，显著降低了激波形成时间和激光能量需求。
2025-11-25 physics.plasm-ph
New combined PIC-MCC approach for fast simulation of a radio frequency discharge at low gas pressure
为了准确、快速地模拟低气压、高密度等离子体条件下的射频放电，提出了一种新的PIC-MCC组合方法。在氦和氩中，ccrf放电中不同电子加热模式之间的跃迁的测试计算表明与实验数据符合得很好。我们证明了高效率的组合PIC-MCC算法，特别是对于无碰撞制度的电子加热。
2003-08-20 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
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
Physics of collisionless phase mixing
以前的研究相混合的离子回旋加速器（IC），Alfvénic，波在无碰撞制度已经建立了平行电场的产生，从而加速电子在横向密度不均匀的区域。然而，悬而未决的问题仍然没有解决。在这里，我们使用2.5维，相对论，完全电磁PIC（粒子在细胞）的代码和分析MHD（磁流体动力学）制定，建立以下几点：（i）使用广义欧姆定律，我们发现，平行电场主要是由电子压力张量支持，与电子惯性项的贡献较小。(ii)产生的平行电场和加速电子的分数是独立的IC波频率保持在一个水平的6个数量级大于德雷塞值和约20%。产生的平行电场和加速电子的比例随着IC波振幅的增加而增加。所产生的平行电场似乎与等离子体β无关，而加速电子的分数随着等离子体β的减小而强烈增加（对于0.0001的等离子体β，加速电子的分数可以高达47%）。(iii)在无碰撞制度IC波耗散长度（即被定义为在该波阻尼的距离）的变化与驱动频率的分析MHD的结果，我们归因于一个可能的频率依赖性的有效电阻率的偏差。(iv)有效异常电阻率，从我们的数值模拟推断，是至少四个数量级大于经典的斯皮策值。
2008-10-23 astro-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
Multicomponent theory of buoyancy instabilities in astrophysical plasma objects: The case of magnetic field perpendicular to gravity
我们开发的电子-离子等离子体与电子热通量的浮力不稳定性的一般理论的基础上不MHD方程，但使用多组分等离子体的方法，其中的动量方程求解每个物种。我们研究了背景磁场垂直于重力场和层结的几何结构。在没有任何简化的情况下，给出了扰动速度的一般表达式。电子和离子之间的碰撞被考虑在动量方程的一般形式，使我们能够考虑弱碰撞和强碰撞的对象。然而，电子热通量被假定为沿磁场，这意味着弱碰撞的情况下。使用合理的调查与电子热通量的浮力不稳定性的简化，我们推导出简单的色散关系，无论是碰撞和碰撞的情况下，任意方向的波矢。无碰撞色散关系与MHD框架中得到的色散关系有很大不同，与史瓦西判据相似。这种差异与浮力不稳定性的MHD分析中所用的简化假设以及理想MHD方程中未包含的纵向电场扰动的作用有关。所获得的结果可应用于星系团和其他天体。
2010-09-27 astro-ph.GA physics.plasm-ph
Quasi-perpendicular fast magnetosonic shock with wave precursor in collisionless plasma
一个一维的粒子在细胞（PIC）模拟跟踪一个快速的磁声冲击在时间尺度上的逆离子回旋频率。磁压力与上游的热压力相当。冲击波以电磁极限中快磁音速的1.5倍的速度传播穿过均匀背景磁场，其压力等于角度为85 $^\circ$的上游热压力。静电对波色散的贡献在大波数下增加了其相速度，这导致凸色散曲线。在激波之前形成一个快磁声前兆，其相速度超过快磁声速度约$\sim 30 \%$。波比冲击慢，因此被阻尼。
2018-05-07 physics.plasm-ph
Reduction of compressibility and parallel transfer by Landau damping in turbulent magnetized plasmas
采用线性Landau阻尼和有限Larmor半径（FLR）修正的FLR-Landau流体模型，对磁化等离子体中的衰减湍流进行了三维数值模拟。结果表明，与可压缩Hall-MHD的模拟相比，线性朗道阻尼是负责显着的磁声波阻尼，这是一致的线性动力学理论。当β参数不太小时，流体的可压缩性和沿环境磁场的平行能量级联也被显著抑制。与Hall-MHD相比，FLR-Landau流体模型可以正确地描述无碰撞等离子体（如太阳风）中的湍流，从而解释其几乎不可压缩的行为。
2011-09-12 physics.plasm-ph
Fluctuation Dynamo in a Collisionless, Weakly Magnetized Plasma
本文给出了无碰撞、弱磁化等离子体中涨落发电机的数值研究结果。这个发电机和它的磁流体动力学（MHD）对应物之间的关键区别是由一个弱种子场的放大磁场对齐的压力各向异性的绝热生产。这反过来又驱动了离子拉莫尔尺度上的动力学不稳定性-也就是消防管和镜子-切断了热压力和磁压力之间的绝热联系，从而允许发电机继续运转。在由这些不稳定性驱动的快速增长的初始阶段之后，磁能呈指数增长，并表现出在电阻标度附近达到峰值的$k^{3/2}$谱，类似于大磁普朗特数（$\mathrm{Pm}\gg{1}$）MHD发电机。磁场自组织成一个折叠的片状拓扑结构，方向反转的电阻规模和磁场线弯曲的平行规模的流动。有效的$\mathrm{Pm}$取决于离子拉莫尔标度是高于还是低于场反转标度：在前一种情况下，粒子经历玻姆样扩散;在后一种情况下，粒子主要散射离开位于磁褶皱末端的消防水管波动，粘度变得各向异性。磁场最终在动力学强度下饱和，其谱峰向更大尺度迁移。这个特征，加上磁场强度和磁力线曲率的反相关性，以及磁片逐渐变薄成带状，类似于大型$\mathrm{Pm}$发电机的饱和状态，主要区别体现在消防水管/镜像不稳定区域。这些结果对磁场在弱碰撞的星系团内介质中的增长具有一定的意义。
2018-07-27 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Two-way coupling of magnetohydrodynamic simulations with embedded particle-in-cell simulations
本文描述了一种将磁流体动力学（MHD）模拟中的嵌入域与粒子网格（PIC）方法相耦合的方法。在这种双向耦合中，我们遵循Daldorff等人的工作，其中PIC域从MHD变量（MHD到PIC耦合）接收其初始和边界条件，而MHD模拟则基于PIC变量（PIC到MHD耦合）进行更新。这种方法可以用于模拟大型等离子体系统，其中粒子模拟捕获的动力学效应是局部的，但会影响全局动力学。我们描述了这种耦合的数值实现，它的时间步进算法，其并行化策略，强调它的新颖方面。我们通过模拟稳态等离子体测试这种方法的稳定性和能量/动量守恒。我们测试这种耦合的动力学传播等离子体波通过嵌入式PIC域。与MHD耦合对快磁声波的结果令人满意，但对圆极化Alfvén波的结果有明显的失真。与霍尔磁流体动力学耦合显示出良好的耦合哨声波。我们还采用这种方法来模拟地球空间环境建模（GEM）的挑战类型的重连与PIC模拟的扩散区耦合到更大的尺度与MHD和霍尔MHD。在这两种情况下，我们看到了预期的签名动力学重联在PIC域，这意味着这种方法可以用于重联研究。
2017-08-09 physics.comp-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
Kinetic Vlasov Simulations of collisionless magnetic Reconnection
介绍了地球空间环境建模（GEM）磁重联挑战赛的全动力学Vlasov模拟。与以前的动力学模拟使用粒子在细胞（PIC）的代码，确认PIC和Vlasov代码发现良好的协议。在后者中，完整的分布函数$f_k$（$k=i,e$）在相空间中的数值网格上离散化。与PIC模拟相反，Vlasov代码不受数值噪声的影响，并且允许对分布函数进行更详细的调查。欧姆定律的不同贡献的作用进行了比较，通过计算每个条款的时刻的$f_k$。电子压力张量的非对角元的重要作用可以得到证实。X线处的感应电场主要由非回旋电子压力决定，而体电子惯性的影响较小。对扩散区电子分布函数的详细分析揭示了非回旋项的动力学起源。
2006-08-17 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Collisional behaviors of astrophysical collisionless plasmas
在碰撞流体中，许多关键过程依赖于二元碰撞的频率。当两种流体足够快地碰撞时，碰撞似乎是产生冲击波的必要条件，以满足朗肯-雨果尼奥关系，建立状态方程或麦克斯韦分布。然而，这些看似碰撞的特征通常被观察到或假设与碰撞\emph{less}天体物理等离子体有关。本文将回顾我们目前对以下问题的回答：碰撞的无碰撞等离子体如何最终产生像流体一样的冲击？在这种情况下，兰金-于戈纽关系在多大程度上得到了满足？无碰撞冲击是否像流体冲击一样传播？我们能不能用状态方程来描述无碰撞的等离子体，就像天体物理学中的MHD代码那样？为什么麦克斯韦分布在无碰撞冲击的Particle-In-Cell模拟中无处不在？定义碰撞和无碰撞行为之间边界的时间和长度尺度将在相关时给出。一般来说，当可以忽略导致流体行为的无碰撞过程中所涉及的时间和长度尺度时，系统可以被视为流体。
2015-02-02 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
