Simulation of plasmaspheric plume impact on dayside magnetic reconnection
在强磁活动期间,冷致密等离子体从plasmaspheric通常形成一个羽状延伸向向阳面磁层顶,最终到达it.In这项工作中,我们提出了一个大规模的二维完全动力学粒子在细胞模拟的重连磁层顶击中一个传播plasmaspheric羽。模拟的设计,使它经历了四个不同的阶段:初始非定常状态,稳定状态之前,羽流到达磁层顶,羽流相互作用和稳定状态,一旦羽流被很好地吞没在重连网站。我们显示的磁层顶的动态的演变受到修改的流入等离子体。我们的主要结果是,等离子体温度(羽流中的冷质子)的变化对磁重联率没有影响,平均而言,磁重联率仅取决于撞击前、撞击期间和撞击后流入的磁场和总离子密度。
2020-02-06 physics.plasm-ph physics.space-ph
Interplay of Three-Dimensional Instabilities and Magnetic Reconnection in the Explosive Onset of Magnetospheric Substorms
本研究利用精确动力学磁尾平衡和粒子模拟,揭示了气球不稳定性破坏偶极化前沿引发亚暴爆发的机制,并通过自洽粒子追踪确定了非热粒子加速机制。
2023-09-15 physics.space-ph
Reconnection and electron temperature anisotropy in sub-proton scale plasma turbulence
磁化等离子体中亚质子尺度的湍流行为对于全面理解天体物理流(如太阳风)的能量学是非常重要的。我们研究的电子温度各向异性的形成,由于在亚质子尺度波动的湍流衰减使用二维,粒子在细胞(PIC)等离子体模拟与现实的电子质子质量比和引导场的模拟平面。近似幂律形式的涨落功率谱被建立到电子回旋半径量级。在动态磁场拓扑结构,这逐渐放松的复杂性,我们确定的X点场几何的网站上的无碰撞重联的签名。重联点通常与强平行电子温度各向异性的区域有关。连接到重联位点的磁场线的演变拓扑允许在多个空间分离的重联区域处加速的电子的空间混合。这将导致形成多峰的速度分布函数具有很强的平行温度各向异性。在一个三维系统中,支持适当的波矢量,多峰分布函数预计将是不稳定的动力学不稳定性,有助于耗散。所提出的各向异性形成机制也与空间和天体物理系统有关,其中等离子体的演化受到线性温度各向异性不稳定阈值的约束。重联位点的存在导致电子能量增益、非局域速度空间混合和强温度各向异性的形成;这证明了重联在湍流波动消散中的重要作用。
2014-01-08 physics.plasm-ph physics.space-ph
Magnetic Reconnection Onset via Disruption of a Forming Current Sheet by the Tearing Instability
最近的认识,斯威特-帕克电流片是严重不稳定的二次撕裂(等离子体)不稳定性意味着这样的电流片不可能发生在真实的系统。这表明,为了理解磁重联的发生,需要考虑电流层形成时撕裂不稳定性的增长。这样的分析是在这里的背景下,非线性电阻MHD的一般的时间相关的平衡,代表一个逐渐形成的电流片。结果表明,两个发病制度,单岛和多岛,是可能的,取决于电流片形成的速率。一个简单的模型被用来计算这两个政权之间的过渡的标准,以及在那一刻的重联开始时间和电流片参数。对于典型的日冕参数,该模型产生的结果与观测一致。
2016-02-19 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Plasmoid-dominated Turbulent Reconnection in a Low $β$ Plasma
采用电阻磁流体动力学(MHD)方法研究了低$β$背景等离子体中等离子体团主导的湍流重联特性。在$β_{\rm in} < 1$区域,其中$β_{\rm in}$是流入区域的等离子体$β$,重联位置由激波和激波相关结构主导,等离子体压缩是显著的。当$β_{\rm in}$减小时,有效重连率从$0.01$增加到$0.02$。我们假设等离子体压缩允许更快的重联率,然后我们估计的加速因子,基于可压缩MHD理论。我们验证了我们的预测通过一系列的MHD模拟。这些结果表明,在日冕的$β\ll 1$环境中,等离子体团占主导地位的重联可以比预期的快两倍。
2020-04-22 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Reconnection in a Pinch
本文提出将电流片动态pinch的一维研究扩展至三维模拟,探讨等离子体beta等参数对无碰撞等离子体中磁场重联启用机制的影响。
2023-05-18 physics.plasm-ph physics.space-ph
Onset of secondary instabilities and plasma heating during magnetic reconnection in strongly magnetized regions of the low solar atmosphere
在一个2.5维多流体等离子体中性反应模型中,数值研究了太阳低层大气(距太阳表面约$300-800$ ~km)弱电离等离子体中不同空间尺度和不同高度的磁重联.我们考虑了强磁化等离子体($β\sim 6\% $)从无力的磁位形演化而来,并被扰动以初始化重联电流片的形成。在大尺度上,观察到产生的电流片进行二次“等离子体团”不稳定性。一系列不同尺度下的模拟结果显示了一个级联电流片形成过程,该过程终止于宽度约为2 m,长度为$\sim100$ ~m的电流片,对应于临界电流片纵横比为$\sim50$。我们还观察到,等离子体团的不稳定性是主要的物理机制加速磁重联在这个等离子体参数制度。在等离子体团不稳定性出现后,重联率急剧增加到$\sim$ 0.035,观察到与Lundquist数无关。这些特征与完全电离等离子体中的磁重联非常相似。在这个低$β$导场重联制度,重组和碰撞的影响被观察到有一个小的贡献重联率。模拟结果表明,在磁重联过程中,将稠密的弱电离光球等离子体加热到$2\times10^4$ ~K以上是困难的。然而,当重联磁场为$500$ ~G或更强时,低太阳色球层中的等离子体可以被加热到$3\times10^4$ ~K以上。
2018-10-25 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Transition from ion-coupled to electron-only reconnection: Basic physics and implications for plasma turbulence
使用动力学粒子模拟,我们模拟了磁鞘和太阳风的重联条件,即,等离子体β(气压与磁压之比)大于1和低磁剪切(强引导场)。改变模拟畴的大小,我们发现离子的响应变化很大。对于尺度与离子拉莫尔半径相当的重连区域,离子不响应重连动力学,导致具有非常大的准稳态重连率的“仅电子”重连。随着重联畴尺寸的增加,向更传统的“离子耦合”重联的过渡是逐渐的,当磁岛在法线方向上的宽度达到许多离子惯性长度时,离子在排气中被冻结。在此过渡期间,准稳态重联率下降,直到离子完全耦合,最终达到一个渐近值。在这个电子只有离子耦合过渡的排气宽度的离子流出速度的缩放被发现是一致的一个新的重新连接的场线的理论模型。为了具有与重连阿尔文速度相当的离子流的完全冻结的离子排气,需要至少几个离子惯性长度的排气宽度。在湍流系统与磁泡之间发生的重联与波动,使用几何参数,我们估计,完全离子耦合重联需要至少几十个离子惯性长度的磁泡长度尺度。
2019-01-28 physics.plasm-ph physics.space-ph
Plasma compression in magnetic reconnection regions in the solar corona
有人提出,粒子之间的反弹磁化流收敛在重联区可以加速的一阶费米机制。对这种机制的分析表明,加速粒子的谱指数与重联区内的总等离子体压缩有关,类似于扩散激波加速机制的情况。作为第一步调查费米加速在重联区的效率,在产生硬能谱的粒子在日华,我们探索的程度,可以实现在重联网站的等离子体压缩。特别是,我们的目标是确定强压缩形成的条件。利用二维电阻MHD数值模型,我们考虑了一组磁场配置,其中磁重联可以发生包括哈里斯电流片,无力电流片,和两个合并磁通绳。等离子体参数被认为是日华的特征。数值模拟结果表明,当通过快速热传导或辐射冷却过程有效地消除重联引起的等离子体加热时,在重联区可以形成强等离子体压缩($\geq 4$)。辐射冷却过程在典型的1 MK日冕中可以忽略不计,但在低日冕/过渡区中却起着重要的作用。发现在重联磁零点处,低β等离子体$β\sim 0.01-0.07$中的等离子体压缩预计最强。
2016-04-28 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Unraveling the Trigger Mechanism of Explosive Reconnection in Partially Ionized Solar Plasma
本文通过2.5维MHD模拟揭示部分电离太阳等离子体中磁重联从等离子体团介导阶段向爆炸性快速重联转变的触发机制,发现主X点辐射冷却导致的气压耗竭和磁扩散增强使重联率从约0.02跃升至0.06以上。
2024-07-02 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Fast Reconnection in High-Lundquist-Number Plasmas Due to Secondary Tearing Instabilities
大尺寸系统中的薄电流片超过临界值的Lundquist数是不稳定的超Alfvenic撕裂不稳定性。增长最快的不稳定性的增长率相对于伦德奎斯特数的缩放示出遵循从经典的撕裂模式的色散关系。由于这种不稳定性,该系统实现了一个非线性的重连率,似乎是弱依赖于Lundquist数,并大于Sweet-Parker率的数量级(对于考虑的Lundquist数的范围)。这种快速重联的制度似乎是可实现的动态和高度不稳定的薄电流片,而不需要电流片是湍流。
2009-09-10 physics.plasm-ph physics.space-ph
Three-dimensional magnetic reconnection in astrophysical plasmas
磁重联是实验室、磁层、太阳和天体物理等离子体中的一个基本过程,其中磁能被转换为热能、体动能和快粒子能。它在二维中的性质比在三维(3D)中更好地理解,在三维中,它的特性完全不同,并且具有许多目前正在探索的不同方面。本文主要研究太阳系等离子体环境,特别是太阳耀斑中三维重联的磁流体动力学。在零点,分离器和准分离器的重联理论进行了描述,连同帐户的数值模拟和观察这三种类型的重联。分离重联和准分离重联之间的区别是一个理论上的区别,对于能量释放的观测并不重要。提出了一种新的太阳耀斑研究范式,其中三维重联起着核心作用。
2021-04-12 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Statistical Properties of Turbulent Fluctuations Associated with Electron-only Magnetic Reconnection
内容:最近的卫星测量地球湍流磁鞘的证据表明,一个不寻常的重联机制,完全由电子驱动。这个新观察到的过程被称为电子重联,它与等离子体湍流的相互作用是一个有很大争议的问题。目的:通过对自由衰减等离子体湍流的二维-三维混合Vlasov-Maxwell模拟,研究了电子重联在等离子体湍流发展中的作用。特别是,我们寻找可能的差异与标准离子耦合重联相关的湍流。研究方法:通过对湍流磁场和离子流体速度涨落的结构函数的分析,刻画了湍流能量级联的结构和不稳定性。结果如下:我们发现,与纯电子重联相关的湍流涨落的统计特性与标准离子耦合重联相关的湍流涨落的统计特性一致,并且在湍流统计中没有发现与纯电子重联相关的特殊特征.这一结果表明,在无碰撞磁化等离子体中的湍流能量级联不依赖于与磁重联相关的特定机制。讨论了耗散范围的性质,指出在亚离子尺度下只有电子对磁场能量的耗散有贡献。
2020-08-18 physics.plasm-ph physics.space-ph
A model of global magnetic reconnection rate in relativistic collisionless plasmas
建立了一个相对论无碰撞等离子体中整体磁重联率的模型,并通过全动力学模拟进行了验证。通过考虑扩散区上游和下游的力平衡,我们证明了在强磁化等离子体中,即使当局部速率达到$\sim O(1)$且局部流入速度接近光速时,全局速率仍受一个值$\sim 0.3$的约束.所导出的模型是通用的,可应用于各种情况下的磁重联。
2016-05-18 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Extended magnetic reconnection in kinetic plasma turbulence
本文通过磁通量输运方法在三维动力学等离子体湍流模拟中发现,重联X线可延伸至系统尺度,颠覆了重联呈斑块状的旧观点,并揭示其受临界平衡调控。
2023-08-15 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Magnetohydrodynamic structure of a plasmoid in fast reconnection in low-beta plasmas
用二维磁流体力学模拟方法研究了低β等离子体快速重联中的等离子体团结构。一个高分辨率的激波捕获代码使我们能够探索各种激波结构:等离子体团后面的垂直慢激波,在外部区域的另一个慢激波,以及在前面的激波反射。在等离子体团内部也发现了类似开尔文-亥姆霍兹的湍流。得出的结论是,这些冲击是严格的功能,在重联在低β等离子体,重联喷流速度或上游阿尔芬速度超过声速。
2014-10-13 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
The Onset of 3D Magnetic Reconnection and Heating in the Solar Corona
磁重联是天体物理学中的一个重要过程,它被认为是由电流片的撕裂不稳定性引发的,电流片是磁场突然改变方向并产生电流的区域。最近的研究表明,这些结构中的磁剪切量是太阳大气中磁重联在流体空间尺度上比动力学尺度大得多的开关性质的关键参数。我们目前的三维电流片与太阳日冕的条件下的重联的模拟结果。使用高保真度的模拟,我们遵循的线性和非线性的三维撕裂不稳定性的演变,导致重新连接。我们发现,取决于参数空间,磁剪切可以发挥重要的作用,在发病的显着能量释放和加热通过非线性撕裂。在我们的研究中存在两种制度,取决于电流片是否比增长最快的平行模式的波长更长或更短(在相应的无限系统中),从而确定子谐波是否存在于实际系统中。在一个制度中,其中增长最快的平行模式具有次谐波,这些次谐波的非线性相互作用和3D等离子体团的聚结在非线性演化中占主导地位,磁剪切在释放的能量中仅起微弱的作用。在第二个政权,其中增长最快的平行模式没有分谐波,然后只有强烈剪切电流片,其中斜模式是强大到足以与占主导地位的平行模式竞争,显示任何显着的能量释放。我们希望这两个制度存在于太阳上,所以我们的研究结果有重要的后果,在不同的太阳物理应用的重联开始的问题。
2020-02-25 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Identification of active magnetic reconnection using magnetic flux transport in plasma turbulence
在过去的二十年里,磁重联被认为在等离子体湍流的动力学和能量学中起着重要的作用。提出了一种基于磁通量输运(MFT)的湍流等离子体重联识别方法。将该方法应用于二维等离子体湍流的回旋动力学模拟。三个活跃的重联X点的识别结果的报告。前两个X点已经发展出双向电子流出射流。除了电子重联的范畴之外,第三个X点没有双向电子流出射流,因为流动被湍流修改。在所有的情况下,这种方法成功地确定了积极的重联通过明确的向内和向外的通量传输周围的X点。这种输运模式定义了重联,并在MFT的发散中产生了新的四极结构。这种方法有望应用于MMS、帕克太阳探测器和太阳轨道器等航天器任务。
2021-12-30 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
The Origin of Underdense Plasma Downflows Associated with Magnetic Reconnection in Solar Flares
磁重联是一个普遍的过程,它为爆炸性能量释放事件提供动力,如太阳耀斑、地磁亚暴和一些天体物理喷流。磁重联的一个特征是在等离子体阿尔文速度附近产生快速重联流出喷流。在爆发的太阳耀斑中,向耀斑拱廊移动的暗的指状等离子体下降流通常被认为是这种重连驱动流出的主要观测证据。然而,它们的速度往往比重联理论中预期的要慢得多,这对标准耀斑模型中重联驱动的能量释放场景提出了挑战。本文提出了一个太阳耀斑的三维磁流体动力学模型。通过比较模型的预测与观察到的等离子体的下行流的功能,我们得出结论,这些黑暗的下行流是自组织的结构形成在一个湍流的界面区域下面的耀斑终止激波的流出满足耀斑拱廊,类似的超新星遗迹中形成类似的结构的现象。这个界面区域有无数的湍流、电子流和激波,对耀斑能量释放和粒子加速至关重要。
2021-11-22 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Dissipation in Relativistic Pair-plasma Reconnection: Revisited
用粒子模拟方法研究了正负电子对等离子体中相对论性磁重联的基本性质。我们首先回顾了Hesse & Zenitani(2007)的一个问题,他们研究了X线上的动力学欧姆定律。通过对应力-能量张量的分解,我们建立了相对论性的欧姆定律。然后,新的长期,称为热流惯性项的作用,检查在PIC模拟数据。我们进一步评估了重联系统中的能量平衡。这些分析展示了物理上透明的方法来诊断相对论动力学数据。
2017-09-18 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Relativistic Magnetic Reconnection in Astrophysical Plasmas: A Powerful Mechanism of Nonthermal Emission
本综述探讨了天体物理等离子体中相对论磁重联的动理学物理,总结了其在等离子体加热、非热粒子加速、辐射重联及高能源全局模型中的最新进展与未来方向。
2025-07-16 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Triggering the magnetopause reconnection by solar wind discontinuities
本研究结合多航天器观测与全球混合模拟,揭示太阳风旋转间断面与磁层顶切向间断面相互作用可触发磁重联并导致等离子体混合,该机制或可推广至其他恒星风环境。
2023-12-06 physics.plasm-ph physics.space-ph
Resistive scales for collisionless reconnection in space plasma
在近地空间的条件下,我们推导出碰撞重联的限制条件。这些论点是基于精确的定义和估计的电阻尺度$L_η$在离子惯性网站在碰撞重联,即在所谓的“离子扩散区”,这是该地区的霍尔电流流动。
2009-02-01 physics.space-ph
Energy transport during 3D small-scale reconnection driven by anisotropic plasma turbulence
无碰撞等离子体中的能量耗散是一个长期存在的基本物理问题。虽然众所周知,磁重联和湍流耦合和传输能量从系统尺度到亚质子尺度,能量分布和能量耗散渠道的细节仍然知之甚少。特别是,与三维(3D)的小尺度重联发生的湍流级联的结果是未知的能量传递和运输。我们使用一个显式的完全动力学的粒子在细胞中的代码来模拟三维小尺度磁重联事件中形成的各向异性和Alfvénic衰减湍流。我们确定了一个高度动态和不对称的重联事件,涉及两个重联通量绳。我们使用基于玻尔兹曼方程的双流体方法来研究与重联事件相关的空间能量传递,并将双流体能量方程中的功率密度项与标准的基于能量的阻尼,加热和耗散代理进行比较。我们的研究结果表明,电子体流传输热能密度比动能密度更有效。此外,在我们的湍流重联事件中,能量密度转移是由等离子体压缩。这与湍流流片和湍流重联事件一致,但与层流重联不一致。
2022-08-03 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Oscillatory reconnection as a plasma diagnostic in the solar corona
振荡重联是磁化等离子体中的弛豫过程,具有完全取决于背景等离子体性质的固有周期性。本研究着重于日冕振荡重联的地震学前景。我们执行三套参数的研究(特征日冕值的背景磁场,密度和温度)使用PLUTO代码来解决完全压缩,电阻MHD方程的二维磁X点。从每个参数的研究,我们得出的振荡重联的周期。我们发现,这个周期是成反比的特征强度的背景磁场和初始等离子体温度的平方根,而下面的平方根依赖于平衡等离子体密度。这些结果揭示了阿尔文速度的大小与周期之间的反比关系,以及背景声速与周期之间的反比关系。此外,我们注意到,各向异性热传导的增加只会导致一个小的增加,在平均值的周期。最后,我们建立了一个经验公式,该公式给出了与背景磁场、密度和温度有关的周期值。这给了我们一个量化的振荡重联的关系,作为一个等离子体诊断在太阳日冕,打开了使用振荡重联日冕地震学的可能性。
2023-01-06 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Magnetic Reconnection in the Plasma Disk at 23 Jupiter Radii
本研究首次在木星内磁层探测到离子扩散区,证实磁重联事件由离心力驱动的局域磁通管互换引发,为木卫一等离子体输运及快速旋转系统中的磁重联作用提供新见解。
2025-03-26 astro-ph.EP physics.plasm-ph physics.space-ph
Magnetic reconnection in strongly magnetized regions of the low solar chromosphere
采用MHD方法模拟了2.5维多流体反应模型中部分电离等离子体,研究了太阳低层大气温度极小区附近强磁化区的磁重联.结果表明,在低$β$等离子体中,在没有磁零点的情况下,电离和中性流体流在整个重联区域中耦合良好。然而,非平衡电离-复合动力学在确定重联区域的结构中起着关键作用,与假设等离子体处于电离-复合平衡的模拟相比,非平衡电离-复合动力学导致低得多的温度升高和更快的磁重联速率。即使初始等离子体$β$与$β_0=1.46$一样高,等离子体的中性成分的电离速率也总是快于电流片区域内的复合。当重联磁场超过千高斯并且等离子体$β$低于0.0145时,初始弱电离的等离子体可以在重联区域内变得完全电离,并且电流片可以被强烈加热到$2.5\times10^4$ ~K以上,即使大部分碰撞耗散的磁能被辐射走。霍尔效应略微增加了重联率,但在没有磁零点的情况下,它不会导致显著的不对称性或将重联电流片的特性改变到米级。
2017-12-22 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
The Critical Role of Collisionless Plasma Energization on the Structure of Relativistic Magnetic Reconnection
在磁主导的相对论重联,流入的等离子体耗尽的初始相对论压力在x线和碰撞等离子体加热内的扩散区域是不足以克服这种损失。由此产生的压降导致在x线处的塌陷,基本上是快速重连所需的扩散区域的局部化机制。这个低压区的扩展进一步解释了反平行重联的爆发性质,因为一旦打开流出排气也可以崩溃,这反复触发二次撕裂岛。然而,当存在外部引导场时,可以实现稳定的单个X线重连,因为重连磁场分量在流出处旋转出重连平面,从而提供额外的磁压力来维持打开的排气。
2019-10-20 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Dynamic mitigation of filamentation instability and magnetic reconnection in sheet-current sustained plasma
本文提出了在摆动电子片电流驱动下等离子体中磁重联不稳定性和磁重联的动力学缓解方法。摆动电流引入振荡扰动并使扰动平滑。薄层电流在等离子体中产生反平行磁场。初始微扰引起电子束偏转和磁重联。当沿片状电流面向片状电子束施加摆动或振荡运动时,扰动相被混合,从而显著地延迟了不稳定性的增长。通常,等离子体不稳定性是通过增长率来讨论的,因为它很难测量或检测等离子体中扰动的相位。然而,扰动的相位可以例如通过驱动器摆动运动从外部控制。主动引入的扰动叠加导致扰动平滑,并且可以减少不稳定性增长,类似于前馈控制。
2021-01-20 physics.comp-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
Magnetic Reconnection in Turbulent Diluted Plasmas
本文用双流体理论研究了湍流等离子体中的磁重联事件。通过识别扩散区域,我们测量的重联率的电导率和电流片厚度的函数。我们已经发现,重联率的规模作为电流片的厚度的倒数的平方,是独立的扩散区域的纵横比,在其他分析,例如,甜帕克和Petscheck,和数值模型。此外,虽然重连率也与电导率的平方倒数成比例,但扩散区域的纵横比(其表现出$0.1-0.9$范围内的值)与后者不相关。我们的研究结果提出了一个新的磁重联率的表达式,经过实验验证,可以提供一个进一步了解的磁重联过程。
2017-03-03 astro-ph.SR physics.comp-ph physics.plasm-ph
Role of Z-pinches in magnetic reconnection in space plasmas
在无碰撞空间等离子体中,磁重联的一个普遍接受的假设是X点处磁场线的断裂。在实验室中,重联通常是在箍缩中研究的,电流通道嵌入扭曲的磁场中。没有一个空间等离子体中的磁重联模型同时考虑零点和箍缩。我们已经进行了一个三维结构中的磁重联的粒子在细胞模拟的零点,并在模拟过程中形成的Z箍缩沿螺旋零点的线。非螺旋零点比螺旋零点更稳定,并且与它们没有实质性的能量耗散。相反,捏缩中的湍流磁重联导致磁能以每离子陀螺周期约1.5%的速率衰减。在具有大比例螺旋零点的空间等离子体中,类似结构中的耗散是一种可能的情况。
2015-09-26 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.plasm-ph
Thermal-inertial effects on magnetic reconnection in relativistic pair plasmas
研究了考虑磁流体热性质和惯性性质的相对论对等离子体中的磁重联过程。我们发现,在Sweet-Parker和Petschek相对论的情况下,由于热惯性效应,都有一个增加的重联率,都满足因果关系。为了表征新的影响,我们定义了一个热惯性数,这是独立的相对论性的Lundquist数,这意味着重连可以实现,即使是消失的电阻率作为唯一的热惯性效应的结果。目前的模型对于相对论性无碰撞重联具有根本的重要性,因为它构成了获得重联速率的最简单的方法,比仅用电阻率获得的重联速率更快。
2014-07-07 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Rate of steady-state reconnection in an incompressible plasma
在不可压缩等离子体中二维对称重联的最简单的情况下,得到的重联率。在简短的说明(Erkaev等人,物理学评论快报,84,1455(2000)),通过匹配外Petschek解和内扩散区解来找到重连率。在这里的扩散区的数值模拟的细节和渐近过程,用于推导重联率进行了说明。重连率作为扩散区长度的递减函数而获得。对于一个足够大的扩散区域尺度,重联率变得接近的斯威特-帕克解决方案中获得的反平方根依赖于磁雷诺数,确定为全球规模的电流片。另一方面,对于一个小的扩散区的长度尺度,重联率原来是非常相似的Petschek模型中获得的对数依赖于磁雷诺数。这意味着,Petschek制度似乎是可能的,只有在一个强烈的本地化的导电性对应于一个小规模的扩散区的情况下。
2001-11-26 physics.geo-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
Reconnection in the Centre of the Near-Earth Plasma Sheet: Control by Plasma Drifts and Magnetic Flux Convection close to the Earth
磁层内的对流可以被认为是磁通量和等离子体从磁尾转移到夜侧,然后从那里对流和漂移到昼侧。在许多流体流动的情况下,下游流动(对流和漂移到向阳面)是上游流动(重新连接和流入的尾巴)的重要边界条件。近地等离子体片中的尾状通量管在重联事件之间阻挡了来自尾的流入。然而,向西漂移的高能离子(曲率和梯度漂移和ExB漂移)删除等离子体能量从近午夜造成通缩和地球流在赤道平面。(The过程可以描述为等离子体片/部分环电流的东部向西漂移。向地球的流动将磁通量和等离子体从厚的等离子体片的中心移走,并产生薄的电流片,这反过来有利于重联的开始。X线正好形成向地球流动区域的尾部。最初,重联发生的X线向地传播和磁岛的增长在其尾部一侧,因为没有尾流。随后,系统向瓣合并方向演化,X线向尾方向传播,符合尾重联的标准图像。发生流入和重联的本地时隙的东西宽度由漂移离子的东端处的等离子体能量减小的尺度长度确定。预计重联槽将跟随部分环电流东端的西向漂移。该模型似乎是一致的爆发性的整体流动,西行浪涌和许多其他观测到的亚暴的属性。
2004-12-18 physics.space-ph
Suppression of the collisionless tearing mode by flow shear: implications for reconnection onset in the Alfvénic solar wind
本文分析强剪切流对无碰撞撕裂模的抑制效应,发现阿尔芬速度剪切流可完全稳定该模,并改变其标度行为,从而解释帕克太阳探测器观测到的近太阳阿尔芬太阳风中重联事件稀少。
2025-08-05 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Magnetohydrodynamic structure of a plasmoid in fast reconnection in low-beta plasmas: Shock-shock interactions
用二维磁流体力学方法研究了低β等离子体中磁重联中等离子体团的激波结构。使用具有前所未有的分辨率的高精度代码,冲击,不连续性及其交叉点得到解决和澄清。接触不连续性源自三重激波的交叉点,将不同来源的流体分开。等离子体团内部的冲击钻石似乎使超音速流减速。新的冲击钻石和一个缓慢的膨胀风扇内发现Petschek流出。新的冲击钻石的充分条件和天体物理喷流的相关性进行了讨论。
2015-03-25 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Kinetic simulations of collisionless magnetic reconnection in presence of a guide field
分析了Harris电流片中磁重联的动力学模拟结果。一系列的指导领域被认为是研究重联等离子体的特点是不同的$β$值,$β> m_e/m_i$。采用隐式粒子模拟方法和并行显式粒子模拟程序。模拟与质量比的物理值进行。模拟结果表明,重联率随引导场的增加而减小,对质量比的依赖性很弱。电子压力张量的非对角分量打破了冻结条件,即使在低$β$等离子体中。在高$β$等离子体中,有证据表明哨声波在增强的重联中起着关键作用,而在低$β$等离子体中,动力学Alfvén波是重要的。离子和电子的面内和离面运动也被考虑,表明它们受到质量比和等离子体$β$的影响。
2003-12-05 astro-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
Nonthermally Dominated Electron Acceleration during Magnetic Reconnection in a Low-beta Plasma
通过完全动力学模拟,我们研究了在类似于日冕和耀斑的条件下,非相对论质子-电子等离子体中磁重联过程中的电子加速。我们表明,重联导致非热占主导地位的电子加速与幂律能量分布在非相对论性低$β$制度,但不是在高$β$制度,其中$β$是等离子体的热压力和磁压力的比率。在低$β$区,加速电子包含大部分耗散的磁能。一个引导中心电流的描述是用来揭示在体非热超导过程中的电子漂移运动的作用。我们发现,主要的加速机制是一个\textit{Fermi}型加速完成的粒子曲率漂移运动沿电场诱导的重联外流。虽然不同等离子体$β$的加速机制相似,但低$β$重联驱动Alfvénic时间尺度上的快速加速,并从热分布中发展出幂律。低$β$等离子体中磁重联引起的非热主导加速可能对太阳耀斑和其他天体物理系统中的高效电子加速具有重要意义。
2015-09-25 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Phase Diagram for Magnetic Reconnection in Heliophysical, Astrophysical and Laboratory Plasmas
用相图概括了磁重联物理学的最新进展,该相图为太阳物理学、实验室和天体物理学中的各种应用组织了基本动力学。两个关键的无量纲参数是伦德奎斯特数和宏观系统的离子声回旋半径的单位尺寸。除了传统的单X线碰撞和无碰撞阶段,多个X线重联阶段出现由于存在的等离子体团不稳定性无论是在碰撞和无碰撞电流片。特别是,存在一个独特的阶段,称为“多X线混合相”,其中碰撞岛或等离子体团的层次是由碰撞电流片终止,导致在宏观和动力学尺度之间的快速耦合和碰撞和无碰撞动力学的混合。涉及多X线和无碰撞物理的新阶段可能对磁重联的新兴应用很重要,以加速带电粒子超过其热速度。大量的太阳物理和天体物理等离子体被调查和分组在相图:地球磁层太阳等离子体(色球层、日冕、风和速跃层)、银河系等离子体(分子云、星际介质、吸积盘及其日冕、蟹状星云、Sgr A*、伽马射线暴、磁星)、河外等离子体(活动星系核盘及其日冕、星系团、射电瓣和河外喷流)。实验室实验的意义,包括下一代重联实验,也进行了讨论。
2011-09-04 astro-ph.IM physics.plasm-ph physics.space-ph
Local regimes of turbulence in 3D magnetic reconnection
当在自然中研究或在3D模拟中建模时,磁重联的过程与标准的2D范例卡通有一个关键的不同:它伴随着电磁场和等离子体特性的许多波动。我们开发了一种诊断方法来研究重连点周围各个区域的波动谱。我们定义的通量函数的局部值,确定的距离形成的重联网站,在流出和流入的负值正值的区域。我们发现,波动属于两个非常不同的制度取决于当地的等离子体β(定义为等离子体和磁压力的比率)。第一个政权的发展中的重联流出β是高的,其特征在于通过异常的粘度和电阻率导致动量和能量交换的等离子体和电磁波动之间的强联系。但是还有第二个低β区域:它在流入和分界面周围的区域中发展,包括重联电子扩散区域本身。值得注意的是,这种低β等离子体,其中磁压占主导地位,保持层流,即使电磁场是湍流。
2019-10-26 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Magnetic reconnection as a driver for a sub-ion scale cascade in plasma turbulence
采用高分辨率二维混合动力学模拟方法,采用拉格朗日和欧拉两种互补方法以及不同的驱动机制,揭示了由磁重联触发的无碰撞等离子体湍流中亚离子尺度级联产生的新途径.模拟结果提供了清晰的数值证据,即在第一个磁重联事件发生后,无论MHD尺度下湍流级联的实际状态如何,在所谓的离子破裂以下的幂律能谱的发展都会发生。在这两个模拟中,重联介导的平行磁波动的小尺度能谱表现出一个非常稳定的谱斜率~-2.8,无论大尺度湍流级联是否已经完全发展。一旦达到准稳态湍流状态,总磁涨落的谱在MHD范围内趋于-5/3的谱指数,在亚离子尺度下趋于~-3。
2017-07-19 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Particle Acceleration during Magnetic Reconnection in a Low-beta Pair Plasma
低β磁主导区等离子体通过磁重联的重联($β= 8 πnkT_0/B^2 \ll 1$)和/或高磁化($σ= B^2/(4 πnmc^2) \gg 1$)在太阳耀斑、脉冲星风星云、相对论性黑洞喷流等一系列天体物理系统中具有重要意义。本文综述了这一过程动力学模拟的最新进展,并进一步讨论了由电子-正电子对组成的低$β$重联层中的等离子体动力学和粒子加速。我们还研究了不同的初始热温度对粒子能谱的影响。虽然早期的论文已经得出结论,较高的$σ$的光谱指数较小,我们的模拟表明,光谱指数接近$p=1$足够低的血浆$β$,即使$σ\sim 1$。由于在理想极限下的预测光谱指数比大多数观测结果都要困难,因此考虑可能导致更软光谱的影响(如开边界模拟)是很重要的。我们还注意到,3D重联物理和湍流的重联的影响需要在未来解决。
2016-04-11 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Relativistic magnetic reconnection in collisionless ion-electron plasmas explored with particle-in-cell simulations
磁重联是各种高能天体中磁能转换和高能非热粒子产生的主要机制,包括具有相对论性离子-电子等离子体的天体(例如,微类星体或活动星系核(AGN)-这是一个缺乏第一原理研究的领域。我们提出了相对论条件下低$β$离子电子等离子体的二维粒子模拟,即,其中流入的磁能超过等离子体静止质量能量。我们确定突出的属性:(i)相对论流入磁化(这里$10 < σ_e < 360$),重联流出占主导地位的热搅拌,而不是散装动能。(ii)在大的流入电子磁化($σ_e > 80$),重联电场是由体积惯性比由热惯性。它挑战了热惯性范式及其含义。(iii)在扩散区的入口处,流入具有急剧的过渡。这些不是激波,而是粒子弹道运动的结果,所有的粒子都在同一位置反弹,只要入流中的热速度远小于入流E通过B的整体速度。(iv)岛状中心与其余的气流是磁性隔离的,并且可以在它们的中心呈现密度耗尽。(v)重联率略高于非相对论研究。它们最好通过在流出方向上投影的流入相对论阿尔文速度进行归一化,然后导致接近范围(0.14-0.25)的速率,从而允许容易地估计重联电场。
2014-04-29 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Onset of magnetic reconnection in a collisionless, high-beta plasma
在磁化的无碰撞等离子体中,组成粒子的磁矩是绝热不变量。因此,在这样的等离子体中磁场强度的增加导致垂直于场线的热压力的增加。在$β$依赖的阈值之上(其中$β$是热压力与磁压力的比率),这种压力各向异性驱动镜像不稳定性,在离子拉莫尔尺度上产生场线的强烈扭曲。这种不稳定性的影响磁重联的研究使用一个简单的分析模型的形成电流片(CS)和相关的生产压力各向异性。维持各向同性,麦克斯韦粒子分布在CS的形成和随后的变薄在无碰撞等离子体中的困难,再加上低阈值的镜子不稳定性在高$β$等离子体,意味着重连磁场的几何形状可以从根本上不同于标准的哈里斯片轮廓经常用于模拟无碰撞重连。因此,取决于CS形成的速率和初始CS厚度,撕裂模式的增长速率和波数由这种差异提高,可能会破坏镜像出没的CS之前,标准撕裂模式可以开发。一个定量的理论来说明这一过程,这可能会发现在撕裂介导的动力学磁旋转“通道”模式的中断的应用。
2019-01-06 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Separatrices: the crux of reconnection
重联是天体物理学和实验室等离子体的关键过程之一:它与发电机相反。从能量的角度来看,发电机将动能转化为磁能,而重联则吸收磁能并返回其动能形式。大多数等离子体的核心过程都是先储存随着时间积累的磁能,然后突然释放。我们专注于这个释放。分析重联的一个关键概念是分界线,一个表面(二维线),它将嵌入在磁场线中的新鲜未扰动等离子体与嵌入在重联场线中的较热排气分离开来。在动力学物理学中,分界面成为许多关键过程发展的层。在这里,我们提出了新的结果,相对于在separatrices的过程,调节等离子体流,通电的物种,电磁场和不稳定性的separatrices开发。
2014-06-24 astro-ph.EP physics.plasm-ph physics.space-ph
Reflection of fast magnetosonic waves near magnetic reconnection region
日冕中的磁重联被认为对多个相互作用的等离子体团的形成是不稳定的,先前的研究表明等离子体团动力学可以触发不同模式的MHD波从重联点向外传播。然而,在日冕重联点附近的等离子体参数和磁场强度的变化可能会导致波的反射和模式转换。本文研究了快磁声波在重联点附近的反射和折射。在一个合理的假设下,解析指定的阿尔文速度分布,我们推导和解析求解全波方程的非均匀背景等离子体中的快模波的传播没有求助于小波长近似。我们表明,波进行反射附近的重联电流片由于阿尔文速度梯度和反射有效地依赖于等离子体- $β$参数以及波的频率。特别是,我们发现,波更有效地反射附近的重联网站在一个低的$β$等离子体,这是典型的太阳日冕条件。此外,对于低频波,反射较大,而高频波从重联区域向外传播,几乎没有反射。我们讨论了有效波反射附近的磁重联网站在强磁化日冕等离子体粒子加速的影响,这也可能对第一电离势(FIP)分馏的有质动力,这些波在色球。
2018-03-29 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Magnetic Reconnection Governs the Entire Lifecycle of Solar Eruptive Magnetic Flux Rope
State Key Laboratory of Solar Activity and Space Weather, School of Aerospace, Harbin Institute of Technology, Shenzhen(哈尔滨工业大学深圳航天学院);School of Opto-electronic Engineering, Zaozhuang University(枣庄学院光电工程学院)
研究通过高分辨率三维MHD模拟发现,磁重联在太阳爆发磁通量绳的整个生命周期中起核心作用,其直接触发爆发并提供主要驱动力,而非经典模型认为的环面不稳定性。
2026-10-15 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Auroral evidence for multiple reconnection in the magnetospheric tail plasma sheet
我们目前的极光证据多,最有可能的是,小规模的重联在近地磁层等离子体片电流层在极光活动。霍尔电流作为向上和向下场对准电流的源,需要产生相应的电子通量。极光的空间秩序在一个多序列的这些通量需要假设存在几个-甚至可能-许多tailward重连网站。
2008-11-01 physics.geo-ph physics.space-ph
Electron-only magnetic reconnection in plasma turbulence
本文采用Hybrid-Vlasov-Maxwell方法模拟了在广义欧姆定律下考虑非线性电子惯性效应的磁化等离子体湍流。当波动能量被注入足够接近离子动力学尺度的尺度上时,离子有效地变得去磁,并且电子尺度的电流片在很大程度上主导了新兴电流结构的分布,与通常的情况相反,通常观察到完整的结构尺寸层次。这些电流片被证明是电子只重联(电子rec)的网站,其中通常的电子排气是不伴随离子流出,这是在定性协议与最近观察到的MMS在地球的湍流磁鞘,下游的弓激波。的电子-rec现象的一些功能被证明是一致的电子磁流体动力学的描述。模拟表明,这种制度的碰撞重联可能会发现在湍流系统中的等离子体过程,如微不稳定性和/或冲击,压倒更常见的湍流级联直接注入能量接近离子动力学尺度。
2020-07-16 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Efficiency of Nonthermal Particle Acceleration in Magnetic Reconnection
半个多世纪以来,磁重联过程中的非热粒子加速一直是太阳耀斑、脉冲星风、磁星等天体物理现象研究中的一个基本课题,其中一个尚未解决的问题是它的有效性。近年来,粒子模拟技术对非热粒子加速机制进行了广泛的研究,但如何将磁场能量分为热等离子体和非热粒子仍是一个令人感兴趣的谜。在这里,我们研究了非相对论性和相对论性磁重联使用大规模的粒子在细胞模拟的对等离子体,并指出,生产的非热粒子变得有效的等离子体温度的增加。在相对论热等离子体的情况下,我们确定,加热等离子体的重联可以近似为一个kappa分布函数的kappa指数约为3或更小(相当于2或更小的幂律指数),和重联的非能量密度约超过95%的总内能在下游排气。
2022-04-01 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
In situ evidence of firehose instability in multiple reconnection
通过重新连接电流片的能量转换在空间和天体物理等离子体中很常见。通常,电流片在多个重连位点处中断,导致位点之间形成等离子体团结构,这可能影响能量转换。我们提出了在地球磁尾多重重联消防水管不稳定性的现场证据。观察到的质子束在平行于磁场方向加速和离子尺度的哨声型波动意味着两个活跃的重联网站之间的消防水龙带不稳定性的发展。的线性波色散关系,估计测得的等离子体参数,表明一个积极的增长率消防水管相关的电磁波动。用2.5维隐式粒子模拟程序对观测到的多重重联的时间演化进行了模拟,结果表明,随着重联点之间等离子体团的演化,等离子体团边缘的等离子体变得各向异性,克服了边缘稳定性阈值,导致产生磁场涨落.观测和模拟的综合结果表明,消防水龙带的不稳定性,操作之间的重联网站,将等离子体动能转化为磁场波动的能量,抵消了磁能转化为等离子体能量发生在重联网站。这表明多重重联中的磁能转换效率可能低于单点重联的情况。
2020-04-13 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.plasm-ph
Fast Collisionless Reconnection Condition and Self-Organization of Solar Coronal Heating
我认为,太阳日冕加热是一个自我调节的过程,使日冕等离子体大致边缘碰撞。自我调节机制基于两种效应的相互作用。首先,等离子体密度控制日冕能量释放之间的过渡缓慢碰撞Sweet-Parker制度和快速碰撞重联制度。当Sweet-Parker层变得比特征无碰撞重联尺度更薄时,就会发生这种转变。根据上游等离子体密度(n_e)、重联(B_0)和引导(B_z)磁场分量以及重联层的整体长度(L),我提出了一个简单的判据:L <6.10^9 cm [n_e/(10 ^{10}/cm^3)]^(-3)(B_0/30 G)^4(B_0/B_z)^2。接下来,日冕能量释放通过重连通过色球蒸发提高了周围的等离子体密度,这反过来又暂时抑制了随后的重连,包括新重连的环。然而,随着时间的推移,辐射冷却逐渐降低密度再次低于临界值,快速重联再次成为可能。因此,密度是高度不均匀和间歇性的,但在统计上,并没有强烈偏离临界值,这是与观测到的日冕密度。因此,从长远来看,日冕加热过程可以通过由快速重连事件组成的重复循环来表示(即,纳米片),接着是快速蒸发事件,接着是相对长的时间(1小时),在此期间磁应力建立,同时等离子体冷却并沉淀。
2007-08-30 astro-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
Self-Regulation of Solar Coronal Heating Process via Collisionless Reconnection Condition
我提出了一个新的范式太阳日冕加热视为一个自我调节的过程,保持等离子体轻微碰撞。该机制是基于两个效应之间的耦合。首先,日冕密度控制等离子体的碰撞性,因此之间的缓慢碰撞Sweet-Parker和快速碰撞重联制度的过渡。反过来,日冕能量释放导致色球蒸发,增加密度,从而抑制新重新连接的环的后续重新连接。因此,从统计学上讲,密度在某个临界水平附近波动,与日冕中观察到的密度相当。从长远来看,日冕加热可以通过快速重连事件(纳米耀斑),蒸发事件和日冕等离子体的长期缓慢磁应力积累和辐射冷却的重复循环来表示。
2007-12-23 astro-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
A Magnetic Reconnection model for Hot Explosions in the Cool Atmosphere of the Sun
紫外线爆发和埃勒曼弹是在新兴通量区域的低太阳大气中观察到的短暂增亮。观测发现了同时空的EB和紫外暴,但其形成机制尚不清楚。这些事件中具有大温度跨度的多热成分挑战了我们对太阳低层大气中磁重联和加热机制的理解。我们研究了出现的和背景磁场之间的磁重联。初始等离子体参数基于C7大气模型。当光球层等离子体密度较大的电流片出现在距太阳表面$0.5$ Mm处时,等离子体团不稳定性开始出现。等离子体团相互碰撞并聚,使得不同密度和温度的等离子体在湍流重联区混杂在一起。因此,对应于UV发射的热等离子体和对应于来自其他波长的发射的较冷等离子体可以一起移动并且在大约相同的高度处发生。与此同时,热湍流结构基本上集中在$0.4$ Mm以上,而冷等离子体延伸到电流片底部的低得多的高度。这些现象与Chen et al. 2019,ApJL.合成的Si IV谱线轮廓与紫外暴中观测到的相似,谱线轮廓的增强翼可扩展到约$100$ km s $^{-1}$。不同分辨率的数值结果之间的差异是显着的,这表明,现实的磁扩散率是至关重要的,以揭示精细结构和现实的等离子体加热在这些重联事件。我们的结果还表明,在温度最低区附近的低色球层中,由双极扩散贡献的重联加热是无效的。
2020-11-17 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph