Kinetic Turbulence
在许多弥漫的天体物理等离子体湍流的典型弱碰撞失效的MHD描述的湍流动力学,激励发展一个更全面的理论动力学湍流。特别是,动力学的方法是必不可少的物理机制负责的天体物理湍流的耗散和由此产生的加热等离子体的调查。本章回顾了MHD湍流理论的局限性,并解释了如何将动力学考虑纳入到天体物理等离子体湍流的动力学理论中。确定了驱动当前研究工作的动力学湍流的性质的关键问题。一个全面的动力学湍流级联模型,详细讨论了模型的每个组成部分,并回顾了支持和冲突的理论,数值和观测证据。
2015-02-13 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Heating of Heavy Ions in Low-beta Compressible Turbulence
在与耀斑相关的太阳高能粒子(SEP)事件中,小离子(如$^3$ He和重离子)的增强一直是太阳物理学的主要难题之一。在这项工作中,我们使用3D混合模拟(动力质子和流体电子)调查粒子的湍流低β环境类似于太阳耀斑。结果表明,在这种制度下,注入的大振幅Alfvén波发展成可压缩的和各向异性的湍流,有效地加热不同种类的热离子。我们发现重离子的温度升高与荷质比成反比,这与脉冲SEP事件的观测结果是一致的。进一步的分析表明,离子是通过与质子惯性尺度附近近似垂直的磁声波相互作用而获得能量的。
2019-09-26 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Evidence of Critical Balance in Kinetic Alfven Wave Turbulence Simulations
对动力学等离子体湍流进行了数值模拟,以评估临界平衡对动力学耗散尺度湍流的适用性。在频域中执行分析以避免执行湍流的局部分析中固有的复杂性。建立了耗散尺度临界平衡的理论模型,并与数值模拟结果进行了比较,两者吻合良好,这一结果构成了动力学湍流模拟中临界平衡的第一个证据,为各向异性湍流叶栅扩展到耗散范围提供了证据。我们还进行了欧拉频率分析的模拟数据,并将其与以前的研究磁流体动力学湍流模拟的结果进行比较。
2011-12-30 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Electron and proton heating by solar wind turbulence
将以往的强磁流体动力学(MHD)湍流的加热和输运公式推广到电子和质子的单独的内能方程。包括电子热传导。能量由影响电子和质子的湍流加热提供,并通过碰撞在它们之间交换。与现有的湍流数据的比较表明,当(i)能量交换时间尺度很长,(ii)湍流引起的热量沉积被划分为60%的质子加热和40%的电子加热时,提供了合理的数据解释。热传导,这里确定的经验拟合,在描述电子数据中起着重要作用。
2009-07-23 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.space-ph
Proton and Helium Heating by Cascading Turbulence in a Low-beta Plasma
离子如何被激发和加热是磁化等离子体中能量耗散研究的一个基本问题。特别是重离子(包括${}^{4}\mathrm{He}^{2+}$、${}^{3}\mathrm{He}^{2+}$等)的加热一直是理解脉冲太阳耀斑微观物理的一个持续关注的问题。在这篇文章中,通过二维混合动力学粒子模拟,我们研究了由电子,质子和氦离子组成的多离子等离子体的左手极化氦离子回旋波分支在大尺度上发射的级联波驱动的湍流对氦离子(${}^{4}\mathrm{He}^{2+}$)的加热。我们发现显着的平行(背景磁场)加热的氦离子和质子由于形成的光束和高原的速度分布函数沿背景磁场。氦离子在垂直于磁场方向上的加热开始时速率低于平行方向上的加热速率,但在几百个质子回旋周期后,由于大尺度注入的氦离子回旋波级联引起的主要是斜传播波的回旋共振,氦离子的加热速率超过了平行加热速率。然而,由于在质子回旋频率附近没有左手极化回旋波,几乎没有质子在垂直方向加热的证据。我们的研究结果有助于理解${}^{3}\mathrm{He}$和其他重离子在富含${}^{3}\mathrm{He}$的太阳高能粒子事件中的优先加热,其中氦离子作为一种背景离子调节动力学等离子体行为起着至关重要的作用。
2022-11-01 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Stochastic proton heating by kinetic-Alfvén-wave turbulence in moderately high-$β$ plasmas
随机加热是指带电粒子的平均磁矩与电磁波动相互作用的增加,电磁波动的频率小于粒子的回旋频率。当陀螺仪波动的幅度超过一定阈值时,就会出现这种加热,导致垂直于磁场的平面中的粒子轨道变得随机而不是近似周期性。我们考虑了阿尔文波(AW)和动力学阿尔文波(KAW)湍流对质子的随机加热,这可能对太阳风的加热做出重要贡献。利用唯象理论,我们导出了等离子体中的随机质子加热率,其中$β_{\rm p} \sim 1-30$,其中$β_{\rm p}$是质子压力与磁压力的比值。(We不考虑$β_{\rm p} \gtrsim 30$状态,在该状态下质子陀螺标度的KAWs变为非传播。)我们测试我们的公式的随机加热率的数值跟踪测试粒子质子相互作用的频谱随机相位AWs和KAWs。以前的研究表明,在$β_{\rm p} \lesssim 1$,粒子主要是由静电势的时间变化和热质子陀螺轨道的随机主要是由静电势的陀螺波动。相比之下,在$β_{\rm p} \gtrsim 1$,粒子主要由电场的螺线管分量激励,热质子陀螺轨道主要由磁场中的陀螺尺度波动随机化。
2018-11-21 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Observations of Transition from Imbalanced to Balanced Kinetic Alfvénic Turbulence
Purple Mountain Observatory, Chinese Academy of Sciences(中国科学院紫金山天文台);Space Sciences Laboratory, University of California, Berkeley(加州大学伯克利分校空间科学实验室);Physics Department, University of California, Berkeley(加州大学伯克利分校物理系);School of Physics and Electronic Sciences, Changsha University of Science and Technology(长沙理工大学物理与电子科学学院);LPC2E, CNRS, CNES, University of Orléans(奥尔良大学CNRS/CNES LPC2E研究中心);International Space Science Institute (ISSI)(国际空间科学研究所);University of California, Berkeley(加州大学伯克利分校)
帕克太阳探测器观测到日风湍流中磁螺旋度的变化,揭示了动能阿伏伽德罗波从不均衡到平衡的过渡过程。
2026-02-04 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Coronal Loop Heating by Nearly Incompressible Magnetohydrodynamic and Reduced Magnetohydrodynamic Turbulence Models
光波和湍流在光球层之外的传输是日冕加热问题的核心。采用近不可压缩磁流体动力学(NI MHD)理论模拟了宁静日冕中的湍流,描述了低频湍流在开放磁场区的输运。它描述了耦合的多数准二维和少数板组件的演变,驱动的磁地毯和平流的亚音速,亚Alfvenic流从较低的日冕。本文将NI MHD湍流传输模型与日冕MHD模型耦合,研究日冕环中的加热问题。在一个现实的基准日冕环问题,我们发现,一个环可以加热到150万K的运输和耗散的MHD湍流所描述的NI MHD模型。我们还发现,大多数2D组件是作为重要的少数板组件在加热的冕环。我们比较我们的耦合MHD/NI MHD模型的结果与简化MHD(RMHD)模型。这些模型之间的一个重要区别是,RMHD解决了小规模的速度和磁场波动,并获得与它们的演变相关的实际粘性/电阻耗散,而NI MHD演变的波动速度和磁场的标量矩和近似耗散使用MHD湍流现象。尽管模型之间存在基本差异,但它们的模拟结果非常匹配,在日冕内部产生几乎相同的加热速率。
2023-01-11 astro-ph.SR physics.plasm-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
Quasilinear Evolution of Kinetic Alfven Wave Turbulence and Perpendicular Ion Heating in the Solar Wind
本文利用在湍流太阳风等离子体中测得的动力学阿尔芬波动谱计算了由准线性扩散引起的电子和离子分布函数。修正的离子分布函数被发现是不稳定的长波长电磁离子回旋波。这些波的俯仰角将平行离子的速度分散成垂直的速度,从而有效地提高了垂直离子的温度。
2011-04-08 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Fully Kinetic Simulation of 3D Kinetic Alfven Turbulence
我们目前的结果从一个三维的粒子在细胞模拟等离子体湍流,类似的等离子体条件下发现的动力学尺度的太阳风。在亚离子范围内的湍流的光谱特性是一致的动力学Alfven波的理论预期。此外,我们计算的局部各向异性,定义的关系$k_{\parallel}(k_{\perp})$,其中$k_{\parallel}$是一个特征波数沿本地平均磁场在垂直尺度$l_{\perp}\sim 1/k_{\perp}$。亚离子射程各向异性与$k_{\parallel}<k_{\perp}$的尺度相关,线性与非线性时间尺度之比为1阶,表明动力学级联接近临界平衡状态。我们的研究结果与一些\emph{in situ}太阳风观测结果相比,并证明了-从第一性原理-等离子体湍流模型的可行性,该模型基于一个临界平衡的级联动力学Alfven波。
2018-03-07 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Occurrence Rates and Heating Effects of Tangential and Rotational Discontinuities as Obtained from Three-dimensional Simulation of Magnetohydrodynamic Turbulence
在太阳风中,磁流体动力学(MHD)不连续性是普遍存在的,并且经常被发现是湍流不连续性的起源。它们还可能在湍流消散和太阳风加热中发挥关键作用。切向不连续面和旋转不连续面是两种最重要的不连续面类型。近年来,湍流不稳定性和质子热力学之间的联系已被观测研究。在这里,我们提出了从三维MHD模拟与压力各向异性的数值结果,并定义新的方法来识别和区分TD和RD。重点介绍了三个关于相对出现率和加热效应的统计结果:(1)随着时间的推移,RD倾向于占据大部分不连续性;(2)嵌入TD的热状态倾向于与极端等离子体参数或不稳定性相关,而RD则不相关;(3)TD具有较高的平均T和垂直温度$T_\perp$。模拟结果表明,TD和RD的演变和贡献的太阳风加热不同。这些结果将激发我们对产生不连续性和导致等离子体加热的机制的理解。
2015-03-18 astro-ph.SR 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
Subproton-scale cascades in solar wind turbulence: driven hybrid-kinetic simulations
空间等离子体物理学中一个长期争论的问题是太阳风湍流中亚质子尺度波动的性质。在过去的十年中,一系列的理论和观测研究提出了支持动力阿尔文波(KAW)或哨声湍流。在这里,我们调查数值的亚质子尺度湍流级联的典型SW参数的性质,通过前所未有的高分辨率模拟强制混合动力学湍流在两个实空间和三个速度空间维度。我们的分析表明,在这个模型中的小尺度湍流是占主导地位的KAWs在$β\gtrsim1$和较低的$β$的磁声/哨声波动。湍流的光谱特性似乎与理论预测非常一致。这一结果在不同波的阻尼率的相对变化方面的一个试探性的解释。总的来说,结果提出了有趣的新问题的属性和变化的亚质子尺度湍流在SW,包括其可能依赖于等离子体$β$,并呼吁详细和广泛的参数探索驱动动力学湍流在三维空间。
2016-04-26 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Perpendicular Ion Heating by Reduced Magnetohydrodynamic Turbulence
最近的理论研究认为,低频阿尔文波湍流中的随机离子加热速率由$Q_\perp = c_1 [(δu)^3 /ρ] \exp(-c_2/ε)$给出,其中$δu$是离子回旋半径尺度下的均方根湍流速度$ρ$,$ε= δu/v_{\perp \rm i}$,$v_{\perp \rm i}$是垂直离子热速度,$c_1$和$c_2$是无量纲常数。我们通过数值模拟强约化磁流体动力学(RMHD)湍流相互作用的测试粒子来测试这一理论结果。在我们的模拟中的加热速率很好地符合这个公式。$c_1$的最佳拟合值为$\sim 1$。$c_2$的最佳拟合值降低(即,随机加热变得更有效)的网格大小和雷诺数的RMHD模拟增加。作为一个例子,在一个$1024^2 \times 256$ RMHD模拟与耗散波数的反离子回旋半径,我们发现$c_2 = 0.21$。我们发现,随机加热是显着强于在一个字段中的随机相位Alfvén波具有相同的功率谱的强RMHD湍流,因为强RMHD湍流的相干结构增加轨道随机性的区域中的离子被加热最强烈。我们发现,$c_1$增加了$\sim 3$的一个因素,而$c_2$的变化很小的离子热速度从值$\ll v_{\rm A}$增加到值$\sim v_{\rm A}$,其中$v_{\rm A}$是阿尔文速度。我们讨论了这些结果的重要性垂直离子加热太阳风。
2013-09-04 astro-ph.SR physics.space-ph
Stochastic Heating in the Sub-Alfvénic Solar Wind
University of California, Berkeley(加州大学伯克利分校);University of New Hampshire(新罕布什尔大学);University of Otago(奥塔哥大学);University of Arizona(亚利桑那大学);National Research Council of Italy(意大利国家研究委员会)
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
Turbulence, Energy Transfers and Reconnection in Compressible Coronal Heating Field-line Tangling Models
MHD湍流长期以来一直被认为是帕克日冕加热方案框架内日冕环加热的一种机制。由于计算量大,迄今为止的研究大多集中在其动力学性质上,而没有考虑其热力学和辐射特性。在本文中,我们扩展了以前的研究可压缩制度,包括能量方程,通过使用HYPERION,一个新的并行化,粘阻,三维可压缩MHD代码。HYPERION采用Fourier配置-有限差分空间离散,并使用三阶Runge-Kutta时间离散。我们表明,平行于直流磁场的热传导的实施诱导的辐射发射集中在边界处,与色球-过渡区-日冕系统的性质相似。
2009-12-05 astro-ph.SR physics.plasm-ph
On the Heating of the Slow Solar-Wind by Imbalanced Alfvén-Wave Turbulence from 0.06 au to 1 au: Parker Solar Probe and Solar Orbiter observations
本研究利用PSP和SO观测数据,分析了0.06至1 au内不平衡Alfvén波湍流对Alfvén慢风的加热现象,发现湍流耗散率与质子加热率趋势一致,证实AW湍流在慢风离子加热中起主导作用。
2024-03-26 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
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
Current Sheets and Collisionless Damping in Kinetic Plasma Turbulence
我们提出了第一个研究的形成和耗散的电流片在电子尺度上的波驱动,弱碰撞,三维动力学湍流模拟。我们调查的相对重要性耗散与无碰撞阻尼通过共振波-粒子相互作用与耗散在小尺度电流片在弱碰撞等离子体湍流。电流片形成自洽从波驱动的湍流,其填充分数是很好的相关电子加热速率。然而,模拟的弱碰撞性质必然意味着电流片不会通过欧姆耗散显著耗散。相反,通过与电子的朗道共振的无碰撞阻尼足以解释作为模拟中尺度的函数的测量的加热,而不需要显著的欧姆耗散。这一发现表明,电流片的耗散是由共振波-粒子相互作用和电流片的位置在空间上对应于增强加热的区域的可能性。
2013-06-07 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-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
Plasma turbulence at ion scales: a comparison between PIC and Eulerian hybrid-kinetic approaches
在过去的几十年里,人们通过数值模拟对磁化等离子体中的动力学范围湍流,特别是太阳风湍流进行了广泛的研究。其中,广泛采用的简化等离子体模型之一是所谓的混合动力学模型,其中离子是完全动力学的,电子被视为中和(惯性或无质量)流体。在同一模型中,采用了不同的数值方法和/或湍流发展方法。在目前的工作中,我们提出了一个二维的混合动力学模拟等离子体湍流之间的比较与两个互补的方法,跨越约二十年的波数-从磁流体惯性范围尺度远低于离子回旋半径-与国家的最先进的精度。一种方法采用混合粒子在细胞(HPIC)模拟的自由衰减Alfvénic湍流,而另一种方法由欧拉混合Vlasov-Maxwell(HVM)模拟的湍流连续驱动的部分可压缩的大尺度波动。尽管在大尺度上的初始化和注入/驱动完全不同,但在$k_\perpρ_i\gtrsim1$上观察到相同的湍流波动特性。该系统确实自洽地“再处理”湍流波动,而它们是级联向越来越小的尺度,在某种程度上,这实际上取决于等离子体β参数。对于$β\geq1$,小尺度湍流主要由动力学Alfvén波(KAW)波动填充,而对于低-$β$,KAW波动仅是次主导的。
2017-03-07 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Intermittent Dissipation and Local Heating in the Solar Wind
利用ACE航天器的测量数据,获得了磁流体动力学(MHD)湍流动态产生的电流片附近行星际等离子体不均匀加热的证据。这些相干结构只占数据的19%,但贡献了总等离子体内能的50%。间歇性加热表现为电流片附近质子温度的升高,导致区域加热和温度升高持续数小时。发现非高斯结构的数密度与平均质子温度和太阳风速度成正比。这些结果表明,磁流体湍流驱动间歇性耗散通过层次的相干结构,这共同可能是一个重要的来源,日冕和太阳风加热。
2012-03-27 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Alfven Wave Turbulence and Perpendicular Ion Temperatures in Coronal Holes
当湍流振幅足够大时,低频阿尔芬波湍流导致离子轨迹变得混乱或“随机”。随机轨道使离子能够从湍流中吸收能量,即使当波动频率太小而无法发生回旋共振时,也会增加垂直离子温度。在本文中,一个解析表达式的随机加热率结合观测约束湍流模型得到的解析公式的垂直离子温度作为日心距离r,离子质量和离子电荷的函数在冕洞的r值之间的2和15太阳半径(Rs)。得到的温度分布提供了一个很好的适合质子和OVI离子在2Rs < r < 3Rs的紫外电晕光谱仪(UNOPS)的观察。随机加热也提供了一个自然的解释几个详细的特征的UVI观测,包括优先和各向异性加热的次要离子,快速径向增加的OVI温度之间的1.6 Rs和1.9 Rs,和突然平坦的OVI温度曲线r增加超过1.9 Rs。
2010-06-17 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Spectral evolution of two-dimensional kinetic plasma turbulence in the wavenumber-frequency domain
本文提出了一种在波数-频率域中跟踪能谱中色散关系来研究等离子体湍流演化的方法。我们应用混合等离子体模拟在一个简化的二维几何形状,以证明我们的方法和它的适用性等离子体湍流的离子动力学制度。我们确定四个色散关系:离子伯恩斯坦波,斜哨声波,斜阿尔文/离子回旋波,和零频率模式。能量分配和频率展宽的这些模式进行了评估。该方法使我们能够确定在我们的限制的几何形状的衰减等离子体湍流的演变,并表明,它级联沿色散关系在早期阶段与周围的色散关系不断扩大。
2013-08-21 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Magnetospheric Multiscale Observations of Markov Turbulence on Kinetic Scales
在我们以前的研究中,我们研究了太阳风和磁层等离子体湍流,包括大惯性磁流体动力学尺度上的马尔可夫特征。本文介绍了基于磁层多尺度探测的地球磁鞘中磁场起伏的统计分析结果。根据我们的谱分析结果与非常大的斜率约-16/3,我们应用马尔可夫过程的方法在这个动力学制度的湍流。结果表明,满足Chapman-Kolmogorov方程,且描述漂移和扩散的最低阶Kramers-Moyal系数满足幂律依赖,与广义Ornstein-Uhlenbeck过程一致. Fokker-Planck方程的解与实验概率密度函数一致,在动力学域中具有普遍的全局尺度不变性。特别是,对于中等尺度,我们有kappa分布描述的各种尖峰形状与沉重的尾巴,其中与大值的kappa参数减少到高斯分布的大惯性尺度。这表明,湍流级联也可以描述的马尔可夫过程在很小的尺度。所得到的动力学尺度的结果可能有助于更好地理解控制湍流的物理机制
2022-11-09 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
The Heating of Test Particles in Numerical Simulations of Alfvenic Turbulence
我们研究了弱可压缩磁流体动力学(MHD)湍流("Alfvenic湍流“)的三维数值模拟中带电测试粒子的加热;这些结果与太阳风、太阳耀斑、黑洞上的吸积盘以及其他天体物理学和日光层环境中的粒子加热和加速有关。粒子加热的物理学取决于粒子的回转频率是否与在计算域上解析的湍流波动的频率相当。具有这些频率几乎相等的粒子经历强垂直加热(相对于局部磁场)和俯仰角散射。相比之下,具有大回转频率的粒子经历强烈的平行加热。由于小尺度电流片中的平行电场,具有有限电阻率的模拟产生额外的平行加热。我们的许多结果是一致的线性理论预测粒子加热所产生的阿尔文和慢磁声波,使阿尔文湍流。然而,与线性理论的预测相反,能量交换不是由粒子和波之间的离散共振主导的;相反,共振被大大地“加宽”了。我们讨论了我们的结果对太阳和天体物理学问题的影响,特别是近地太阳风的热力学。我们的结论是阿尔文湍流产生显着的平行加热通过粒子和磁场压缩("慢波“)之间的相互作用。然而,在质子拉莫尔半径以上的尺度上,阿尔文湍流不会产生显著的质子或次要离子的垂直加热。
2009-08-28 astro-ph.HE astro-ph.SR
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
Proton Heating in Solar Wind Compressible Turbulence with Collisions between Counter-propagating Waves
磁流体湍流被认为在实验室、空间和天体物理等离子体加热中起着至关重要的作用。然而,湍流波动和颗粒动力学之间的精确联系尚未建立。在这里,我们提出了明确的证据等离子体湍流加热诊断波的特点和质子速度分布的基础上,从太阳风测量的风航天器。我们首次报道了在太阳风湍流中同时观测到反向传播的磁流体动力学波。与传统的Alfvén波反向传播的模式不同,在这种新型的太阳风可压缩湍流中,向阳慢磁声波(SMW)会遇到反向阳Alfvén波(AWs)。反向传播的AWs和SWs分别对应于不平衡Elsässer变量的优势和次优势种群。AWs和SMW之间的非线性相互作用推断从一个波的可能的振荡方向和其他的可能的传播方向之间的非正交性。相关的质子显示出双向不对称的光束在其速度分布:向阳光束出现在短而窄的模式和反向阳广泛的延长尾巴。这表明,多种类型的波粒相互作用,即,回旋加速器和朗道共振与AW和SMW在动力学尺度,正在发生联合加热质子垂直和平行。
2015-09-14 astro-ph.SR physics.space-ph
Incorporating Kinetic Physics into a Two-Fluid Solar-Wind Model with Temperature Anisotropy and Low-Frequency Alfven-Wave Turbulence
我们开发了一个1D的太阳风模型,其中包括单独的能量方程的电子和质子,质子温度各向异性,碰撞和碰撞的热通量,和低频,反射驱动,阿尔芬波湍流的分析处理。为了划分电子加热,平行质子加热和垂直质子加热之间的湍流加热,我们采用线性波阻尼和非线性随机加热理论的结果。当质子温度各向异性超过任一不稳定性的阈值时,我们通过增加质子俯仰角散射率来解释镜像和倾斜消防水管不稳定性。我们数值积分的模型方程向前的时间,直到达到一个稳定的状态,专注于两个快速太阳风的解决方案。这些解与许多观测结果一致,支持阿尔芬波湍流在太阳风起源中起重要作用的观点。
2011-11-29 astro-ph.SR physics.space-ph
Kinetic Turbulence in Astrophysical Plasmas: Waves and/or Structures?
相干结构和波的相对重要性的问题已经吸引了很长一段时间在天体物理等离子体湍流研究的兴趣,最近的重点是动力学尺度动力学。在这里,我们利用高分辨率的观测和模拟数据来研究弱碰撞,湍流动力等离子体中出现的波和结构的性质。观测结果是基于Cluster和MMS航天器的现场太阳风测量,模拟结果是从外部驱动的三维全动力学模拟中获得的。使用一组新的诊断措施,我们表明,无论是大振幅的结构和低振幅的背景波动保持动力阿尔芬波的线性特征,为了统一。这一定量证据表明,动力学湍流不能被描述为相互排斥的波和结构的混合物,而是可以被描绘为局部化的、各向异性的波包或不同振幅的“涡旋”的集合,其在非线性演化期间保持某些线性波特性。
2019-08-06 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Electron Holes and Heating in the Reconnection Dissipation Region
利用粒子模拟和动力学理论,我们探讨了在三维磁重联与引导场的耗散区的电流驱动的湍流和相关的电子加热。在后期,湍流主要由Buneman不稳定性和低混杂不稳定性控制。两者都产生共存的电子空穴,但具有非常不同的传播速度。空穴对电子的散射增强了耗散区的电子加热。
2010-01-19 astro-ph.SR nlin.PS physics.plasm-ph
The Nature of Subproton Scale Turbulence in the Solar Wind
太阳风中亚质子尺度波动的性质是一个悬而未决的问题,部分原因是可能发生两种类似的电磁湍流:动力学阿尔芬湍流和哨声湍流。然而,这两种可能性有一个关键的质的区别:哨声湍流,不像动力学阿尔芬湍流,在密度波动中的力量可以忽略不计。在这封信中,我们提出了新的观测数据,以及分析和数值结果,调查这种差异。结果表明,第一次,远低于质子尺度的波动主要是动力学阿尔芬湍流,如果存在的话,哨声波动只占总能量的一小部分。
2013-05-13 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
The Effect of Magnetic Turbulence Energy Spectra and Pickup Ions on the Heating of the Solar Wind
近年来,一个现象学的太阳风加热模型的基础上的湍流能量级联所规定的Kolmogorov理论产生了相当好的协议与观测质子温度的距离约70 AU,提供的影响,湍流产生由于皮卡离子包括在模型中。在最近的一项研究中[Ng等人,杰·吉奥菲斯。结果:115,A02101(2010)],我们已经将基于Iroshnikov-Kraichnan(IK)标度的能量级联速率并入加热模型中。我们表明,IK级联率也可以产生良好的协议与观察,有或没有包括皮卡离子。通过使用1 AU处的平均边界条件对模型进行积分以及通过应用一种方法[Smith等人,占星术。J.,638,508(2006)],其使用直接观测值作为边界条件。由于皮卡离子的影响被认为是不太重要的IK光谱,这是浅比柯尔莫哥洛夫谱。在本文中,我们将提供更详细的计算拾取离子的效果,并讨论了物理原因,为什么较浅的频谱产生较少的波动和湍流。
2011-06-02 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Mind the Gap: Nonlocal Cascades and Preferential Heating in High-$β$ Alfvénic Turbulence
本文研究高β阿尔芬湍流中非局域级联如何跨越非传播谱隙使能量到达小尺度,并给出修正的质子-电子加热比函数,发现非局域效应会抑制局域模型预测的质子加热增强。
2024-02-26 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Fast-moving electrostatic solitons in a plasma with turbulence heating
本文研究原行星盘“死区”中受湍流加热电子的等离子体,基于 Davydov 分布证明静电孤子可远超离子声速,并通过衰变与辐射促进能量平衡。
2024-12-21 astro-ph.SR physics.plasm-ph
On the Physics of Kinetic-Alfven Turbulence
观测揭示了太阳风在亚质子尺度上磁场和密度等离子体涨落的近似幂律谱,这表明存在湍流级联。我们讨论了微尺度等离子体波动的三场和两场模型,然后给出了动力学Alfven湍流的两场模型的数值模拟结果,该模型模拟了亚质子尺度下的等离子体运动。
2013-05-02 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.plasm-ph
Closed-Field Coronal Heating Driven by Wave Turbulence
为了在宏观尺度上模拟日冕等离子体的能量平衡,我们经常需要以某种函数形式描述日冕加热机制。为了超越经验公式,并建立一个更具物理动机的加热功能,我们调查的波湍流驱动(WTD)的现象学的加热封闭的日冕循环。我们的实现是为了捕捉大规模的传播,反射和耗散波湍流沿循环。该模型的参数空间是探索通过解决耦合的WTD和水动力演化的一维理想化的回路。一系列的太阳条件的相关性也建立了计算解决方案,从一个现实的三维日冕场提取超过一百个循环。由于WTD加热模型对环路几何形状以及沿环路和足点的等离子体特性的隐含依赖性,我们发现与传统的经验加热模型相比,该模型可以显着减少自由参数的数量,并且仍然稳健地描述了广泛的范围安静太阳和活动区域条件。还讨论了自反射项在产生相对较短的加热尺度高度和热不平衡循环中的重要性。
2016-10-07 astro-ph.SR
A Model for Gradual Phase Heating Driven by MHD Turbulence in Solar Flares
日冕耀斑辐射通常被观测到衰减的时间尺度比脉冲驱动的一维耀斑环模型所预测的要长。这种差异在渐变阶段最为明显,在渐变阶段,这些模型的排放在几分钟内衰减,而不是经常观察到的一小时或更长时间。磁重联被认为是耀斑的能量来源,但应该在几秒钟内将能量沉积到给定的环中。模型补充这一脉冲热与长期的,持续的特设加热已成功地再现了长时间的排放,但没有提供一个明确的物理理由。在这里,我们提出了一个模型,扩展耀斑加热的湍流阿尔文波的缓慢耗散过程中通过电流片的新重新连接的通量管缩回。使用一维模拟,我们跟踪的生产和演变的MHD波湍流被困反射从过渡区的高密度梯度。湍流能量通过反向传播波之间的非线性相互作用耗散,在这里使用现象学的一点闭合模型建模。从模拟合成的AIA EUV光曲线能够再现数十分钟量级的发射衰减。我们发现,这个简单的模型提供了一个可能的机制,用于产生所观察到的日冕耀斑排放自洽从重连供电的耀斑能量释放所需的延长加热。
2023-01-11 astro-ph.SR physics.plasm-ph
A self-consistent model of the coronal heating and solar wind acceleration including compressible and incompressible heating processes
我们提出了一个新的一维模型,其中包括冲击和湍流加热和资格这些过程如何有助于加热日冕和驱动的太阳风。可压缩MHD模拟允许我们自动考虑激波的形成和耗散,而湍流耗散是通过基于Alfvén波湍流的一点闭合来建模的。数值模拟了不同的光球垂直相关长度$λ_0$和不同均方根光球横波振幅$δv_0$的阿尔文波湍流的关键参数。对于不同的$λ_0$,我们得到一个低温色球,高温日冕,和超音速太阳风。我们的分析表明,湍流加热总是占主导地位时,$λ_0 \lesssim 1{\rm \ Mm}$。这一结果并不意味着我们可以忽略可压缩性,因为分析表明,可压缩波及其相关的密度波动增强了Alfvén波的反射,从而增强了湍流加热。密度涨落和十字螺旋度受$λ_0$的影响很大,而日冕温度和质量损失率受$λ_0$的影响很小。
2018-02-14 astro-ph.SR
A turbulence-driven model for heating and acceleration of the fast wind in coronal holes
提出了一个在冕洞中产生快速太阳风的模型,该模型依赖于由在太阳大气中向上传输的MHD波动的湍流耗散主导的加热。尺度分离的输运方程包括大尺度场、横向阿尔芬涨落和由于过渡区附近的平行剪切引起的小的压缩耗散。该模型考虑了质子温度、密度、风速和波动幅度,如在遥感和原位卫星数据中观察到的。
2009-11-27 astro-ph.SR
Nature of Kinetic Scale Turbulence in the Earth's Magnetosheath
我们提出了一个相结合的观测和理论分析,以调查在地球的磁鞘等离子体湍流的性质在动力学尺度。在动力学范围的第一个十年中,就在离子陀螺仪下面,湍流被发现与上游太阳风中的湍流相似:主要是各向异性,低频和动力学Alfvén。然而,一个关键的区别是磁鞘离子通常比电子$T_\mathrm{i}\gg T_\mathrm{e}$热得多,这与$β_\mathrm{i}\sim 1$一起导致第二个十年的行为变化,接近电子尺度。这里的湍流的特点是增加的磁压缩性,以下的模式,我们长期的惯性动力阿尔文波,和陡峭的频谱的磁波动,符合预测$E_B(k_\perp)\propto k_\perp^{-11/3}$,我们从一组非线性方程。这种等离子体湍流状态也可能与其他具有$T_\mathrm{i}\gg T_\mathrm{e}$的天体物理环境有关,例如日华、热吸积流和无碰撞激波下游区域。
2017-05-23 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.plasm-ph
Kinetic heating by Alfvén waves in magnetic shears
利用第一性原理动力学模拟,我们证明了在非均匀背景中传播的大尺度Alfvén波(AW)衰减为动力学Alfvén波(KAWs),触发离子和电子的相互作用。我们证明了这两个物种可以获得不等量的初始AW能量,经历差分加热。在衰变过程中,由KAWs携带的电场在粒子VDFs中产生非麦克斯韦特征,根据空间观测。我们目前的过程只需要一个大规模的AW与磁剪切的相互作用,可能是相关的几个天体物理和实验室等离子体。
2021-12-01 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
Heating of coronal loops: weak MHD turbulence and scaling laws
为了了解日冕加热的帕克情景的非线性动力学,进行了长时间的高分辨率模拟日冕环的动力学在日冕几何。一个回路被建模为一个沿着强磁场$B_0$的方向延伸的盒子,系统被嵌入其中。在代表光球的顶部和底部,施加了模拟光球运动的速度场。我们表明,非线性动力学的MHD各向异性湍流的不同制度,其特征在于与光谱的间隔幂律的指数范围从Kolmogorov的值($\sim 5/3$)到$\sim 3$。我们简要地描述了日冕加热率的轴承。
2010-02-12 astro-ph.SR
The Parker Scenario for Coronal Heating as an MHD Turbulence Problem
帕克或场线缠结模型的日冕加热的研究,通过长时间的高分辨率模拟的日冕循环的动力学在简化的磁流体力学(RMHD)的框架内的carnival几何形状。缓慢的光球运动诱导坡印廷通量饱和驱动各向异性湍流级联占主导地位的磁能和其特征在于沿轴向磁场拉长的电流片。增加轴向磁场的值,MHD湍流的不同区域的发展与日冕加热率的关系。在物理空间中,对流单体尺度上的磁场线只出现轻微弯曲,与电流(E)UV和X射线成像仪的大回路观测结果一致。
2010-02-12 astro-ph.SR
Nature of stochastic ion heating in the solar wind: testing the dependence on plasma beta and turbulence amplitude
太阳风在远离太阳传播的过程中会受到很大的加热;造成这种加热的确切机制还没有完全弄清楚。我们提出了第一次的统计检验所提出的机制之一,随机离子加热。我们使用附近的质子陀螺仪的磁场波动的幅度作为代理的陀螺仪速度波动的比例垂直(相对于磁场)质子热速度,定义为$ε_p$。当$ε_p$大于临界值($\sim 0.019 - 0.025$)时,观察到增强的质子温度。这种增强强烈依赖于质子等离子体β($β_{||p}$);当$β_{||p} \ll 1$只有垂直质子温度$T_{\perp}$增加,而对于$β_{||p} \sim 1$增加平行和垂直质子温度都观察到。对于小于临界值的$ε_p$和$β_{||p} \ll 1$,未观察到$T_p$增强,而对于$β_{||p} \sim 1$,测量到$T_{\parallel}$轻微增加。在速度波动的临界阈值上观察到的质子温度变化与Spirran等人(2010)的随机离子加热模型一致。我们发现$ε_p > ε_{\rm crit}$在76%的研究期间意味着随机加热可能在1 AU的太阳风的大部分时间内运作。
2017-11-11 astro-ph.SR physics.space-ph
Constraining Low-Frequency Alfvenic Turbulence in the Solar Wind Using Density Fluctuation Measurements
一个被提出的加热太阳风的机制,从接近太阳到超过10天文单位,调用低频,倾斜,阿尔芬波湍流。由于小尺度斜阿尔芬波(动力阿尔芬波)是压缩的,在太阳风中测量到的密度波动对动力阿尔芬波的振幅设置了上限,因此对太阳风可以被低频阿尔芬湍流加热的速率设置了上限。我们评估这两个冕洞在5太阳半径和在近地太阳风的上限。在这两个半径,上限,我们发现是一致的模型中,太阳风加热低频阿尔文湍流。在1天文单位,从测量的密度波动的湍流加热率的上限是在测量的太阳风加热率的2倍。因此,如果低频阿尔文湍流有助于加热近地太阳风,动力阿尔文波必须是一个主要来源的太阳风密度波动的频率为1赫兹。我们还提出了一个简单的论点,为什么密度波动测量似乎排除模型中,太阳风加热的非湍流高频波"扫“通过离子回旋共振,但与加热的低频阿尔芬湍流兼容。
2009-08-05 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.space-ph
MHD Waves and Coronal Heating: Unifying Empirical and MHD Turbulence Models
提出了一个新的日冕全球模型,包括低冕区、过渡区和色球顶。利用光球磁场测量数据模拟了真实的三维磁场。新模型的显著特点是引入了MHD阿尔芬波湍流。我们假设这种湍流及其非线性耗散是加热日冕等离子体和驱动太阳风的唯一动量和能量来源。冕洞湍流耗散效率与闭场区的差异是由于冕洞内强各向异性湍流(无向内传播波)导致非线性级联率降低,从而导致冕洞温度降低,双模态太阳风从冕洞中产生。理论模型的详细介绍说明与多波长EUV发射的合成图像相比,从SDO AIA和立体EUVI仪器的观测卡林顿旋转2107。
2012-12-05 astro-ph.SR
Electron Heating in the Magnetorotational Instability: Implications for Turbulence Strength in Outer Regions of Protoplanetary Disks
磁旋转不稳定性(MRI)在电离分数足够高的原行星盘区域中驱动剧烈的湍流。最近已经表明,由MRI引起的电场可以加热电子,从而影响气体中的电离平衡。特别是,在存在大量尘埃颗粒的盘中,电子加热导致电子丰度降低,从而防止MRI的进一步增长。通过使用非线性欧姆定律,考虑到电子加热,我们调查在原行星盘的MRI和电离化学之间的负反馈变得重要。我们发现,“电子加热区”,该地区的电子加热限制了磁共振成像的饱和度,延伸到80 AU的最小质量的太阳星云与丰富的亚微米大小的颗粒。该区域比在相同盘模型中径向范围为$\sim20$ AU的常规死区大得多。缩放参数表明,在电子加热区的MRI湍流应该有一个显着较低的饱和度。电子加热区中的亚微米尺寸的晶粒是如此带负电荷,以至于它们的碰撞生长不太可能发生。我们目前的模型忽略了双极和霍尔扩散,但我们的估计表明,双极扩散也会影响MRI的电子加热区。
2015-12-09 astro-ph.EP astro-ph.SR
Alfvén Wave Turbulence as a Coronal Heating Mechanism: Simultaneously Predicting the Heating Rate and the Wave-Induced Emission Line Broadening
在目前的工作中,我们测试的预测AWSoM模型,全球扩展MHD模型能够计算的传播和湍流耗散的阿尔文波在任何磁拓扑结构,对高分辨率光谱的静止离盘太阳日冕。波浪耗散是该模型中唯一假设的加热机制。将3D模型结果与CHIANTI原子数据库相结合,我们能够创建合成的视线光谱,其中包括由于热和波相关的非热运动引起的发射线展宽的影响。据我们所知,这是第一次使用全局模型来获得合成非热谱线展宽。我们得到了一个稳态的解决方案驱动的天气磁图和SUMER观测的静止区域上方的太阳西翼在赤道延伸1.04和1.34太阳半径之间的合成光谱进行了比较。预测的线宽和总线通量与5种不同离子的观测结果一致。使用3D解决方案,我们能够定位对用于测量电子特性的发射贡献最大的区域;我们发现该区域是伪流光,其模拟的电子温度和密度与测量的一致。我们的结论是,湍流耗散假设在AWSoM模型可以同时考虑到所观察到的加热率和非耗散波能量在该地区观察到的。
2014-01-02 astro-ph.SR physics.space-ph
Imbalanced kinetic Alfvén wave turbulence: from weak turbulence theory to nonlinear diffusion models for the strong regime
本文采用保留离子有限Larmor半径修正、平行磁场涨落和电子惯性的动力学Alfvén波的双场哈密顿陀螺流体模型,研究了从MHD到亚离子尺度的湍流级联。特别注意的情况下,沿或相反的环境磁场传播的波之间的不平衡。对于弱湍流在电子惯性的情况下,动力学方程的保守量(总能量和广义交叉螺旋)的谱密度。他们提供了一个全球性的描述,在大尺度上减少MHD和电子减少MHD在小尺度上,以前在文献中考虑的制度之间的匹配。在超局域相互作用的限制下,导出了Fourier空间中的Leith型非线性扩散方程,并通过适当修改传输时间,将其推广到强湍流区。讨论了非平衡磁流体力学和平衡亚离子湍流与现有唯象模型的关系。事实证明,在色散效应的存在下,动力学对湍流保持稳定状态的方式很敏感。此外,在亚离子尺度下的总能量谱变得陡峭的广义交叉螺旋通量的增加。
2019-02-12 astro-ph.SR physics.plasm-ph
-8/3 spectrum in kinetic Alfvén wave turbulence: implications for the solar wind
大尺度太阳风湍流的本质在磁流体力学的理论框架中得到了较好的理解。在亚质子尺度下,不同航天器测量的磁能谱与经典湍流预言不符,情况则完全不同:一般报道的幂律指数接近于$-8/3$,而与强湍流和波湍流的预言(分别为$-7/3$和$-5/2$)相差甚远。这种差异被认为是太阳风湍流的主要问题。在这里,我们用弱动力学Alfvén波湍流的非线性扩散模型表明,级联由局部三元相互作用驱动(Passot和Sulem,2019),可以出现幂律指数为$-8/3$的磁谱。该缩放对应于具有遵循规律$k_f \sim (t_*-t)^{-3/4}$的前沿传播的第二类自相似解,其中$t<t_*$。当我们放松通常在湍流中所作的平稳性的隐含假设时,这个解就出现了。理论与观测的一致性可以解释为亚质子尺度太阳风湍流非定常性的证据。
2019-06-27 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Spectrum of Kinetic Alfven Turbulence
提出了一个尺度小于离子回旋尺度的强动力学阿尔文等离子体湍流模型。认为磁场和密度涨落主要集中在二维结构上,这导致它们的傅立叶能谱$E(k_\perp)\propto k_{\perp}^{-8/3}$,其中$k_\perp$是垂直于强背景磁场的波矢分量。结果表明,在良好的协议与数值模拟,他们可以解释最近的观测结果的磁场和密度波动的太阳风在亚质子尺度。
2012-04-26 astro-ph.SR physics.plasm-ph