Plasmoid Instability in High-Lundquist-Number Magnetic Reconnection
近年来，我们对电阻磁流体力学中磁重联的认识发生了根本性的变化。传统观点认为，在层流高伦德奎斯特（$S$）等离子体中，由电阻率介导的磁重联是缓慢的，受到Sweet-Parker理论预测的重联率的缩放的限制。然而，最近的研究表明，当$S$超过一个临界值$\sim10^{4}$时，Sweet-Parker电流片不稳定到超阿尔夫文等离子体团不稳定性，线性增长率与$S^{1/4}$成比例。在充分发展的统计稳态的二维电阻磁流体动力学模拟，归一化的平均重联率约为0.01，几乎独立于$S$，和分布函数$f(ψ)$的等离子体磁通量$ψ$遵循幂律$f(ψ)\simψ^{-1}$。当包含霍尔效应时，等离子体团不稳定性可能触发霍尔重联的发生，即使不满足传统的发生判据。丰富多样的可能的重联动力学组织在一个相图的框架。
2013-02-08 astro-ph.SR physics.geo-ph physics.plasm-ph
Plasmoids formation during simulations of coaxial helicity injection in the National Spherical Torus Experiment
在没有任何预先存在的不稳定性的情况下，通过模拟在大规模环形聚变等离子体中首次预测了细长的Sweet-Parker电流片的形成和向等离子体团不稳定性的转变。通过对美国国家球形环实验（NSTX）中的瞬态同轴螺旋注入（CHI）实验的电阻MHD模拟，证实了等离子体团不稳定性，并与理论一致地观察到了等离子体团不稳定性的基本特征，包括快速重联率。受模拟的启发，实验相机图像已被重新访问，并建议在NSTX中存在重新连接的等离子体团。这里观察到的全球系统大小的等离子体团形成也应该对天体物理学的重连有很强的影响，例如快速爆发的太阳事件。
2022-03-30 physics.plasm-ph physics.space-ph
Plasmoid instability in the semi-collisional regime
我们调查分析和数值计算的半碰撞制度的等离子体团不稳定性，定义的不等式$δ_{SP} \gg ρ_s \gg δ_{in}$，其中$δ_{SP}$是斯威特帕克电流片的宽度，$ρ_S$是离子的声音拉莫尔半径，和$δ_{in}$是边界层的宽度，出现在等离子体团不稳定性分析。理论上，如果伦德奎斯特数$S$和当前片$L$的长度使得$(L/ρ_S)^{14/9} < S <(L/ρ_S)^2$（对于类正弦磁位形;对于哈里斯型片，下限用$(L/ρ_S)^{8/5}$代替），则预测存在该区域。这些界限通过使用简化的陀螺动力学模型（Zocco & Schekochihin，$\it{Physics~of~Plasmas}$，${\bf 18}$，2011）的模拟进行数值验证，该模型使用代码$\tt{Viriato}$进行。重要的是，据推测，这种机制允许在相对较低的、实验上可以达到的伦德奎斯特数值下形成等离子体团。我们的模拟获得等离子体团不稳定的$S$值低至$\sim 250$。模拟不规定的Sweet-Parker片，而是形成自洽的初始撕裂模式配置的非线性演化过程中。这证明了等离子体团不稳定性的这种状态是可实现的，至少在当前专用实验可获得的相对较低的Lundquist数值下。
2018-09-27 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Plasmoid Instability in Forming Current Sheets
等离子体团不稳定性的出现彻底改变了我们对天体物理环境中磁重联的认识。通过防止高度拉长的重连层的形成，这对于实现许多天体物理现象所特有的快速能量转换率至关重要。以前的研究大多集中在Sweet-Parker电流片上，然而，这在典型的天体物理系统中是无法实现的。在这里，我们推导出一套一般的标度律的等离子体团不稳定性的电阻和粘阻电流片，随着时间的推移而演变。我们的方法依赖于一个原则，最少的时间，使我们能够确定的属性的重连电流片（纵横比和经过的时间）和等离子体团不稳定性（增长率，波数，内层宽度）在结束时的线性阶段。在这个阶段之后，重新连接的电流片被中断，并且可以发生快速重新连接。等离子体团不稳定性的标度律是\emph{not}简单的幂律，并依赖于Lundquist数（$S$）、磁Prandt数（$P_m$）、系统噪声（$ψ_0$）、电流片演化的特征速率（$1/τ$）以及减薄过程.我们还表明，以前的标度是不适用于绝大多数的天体物理系统。我们探讨了在天体物理系统，如太阳日冕和星际介质的新的标度关系的影响。在这两个系统中，我们表明，我们的标度律产生的值的增长率，波数和纵横比，是远远小于甜帕克的缩放。
2017-07-06 astro-ph.CO astro-ph.HE astro-ph.SR
Plasmoid Instability in Evolving Current Sheets and Onset of Fast Reconnection
斯威特-帕克电流片$γ_{max}\sim S^{1/4}$中等离子体团不稳定性最大线性增长率相对于伦德奎斯特数$S$的缩放表明，在高$S$下，电流片将在接近斯威特-帕克宽度之前破裂。因此，对等离子体团不稳定性的描述必须结合电流片的演化过程。我们进行了一系列的二维模拟和诊断，以分离波动从不断变化的背景。据发现，波动幅度开始增长，只有当线性增长率足够大（$γ_{max}τ_{A}>O(1)$），以克服对流损失。线性增长率继续上升，直到等离子体团的大小变得与撕裂模式的内层宽度相当。此时，电流片被破坏，不稳定性进入早期非线性区域。增长率突然下降，但波动幅度继续增长，直到达到非线性饱和。我们确定了重要的时间尺度的不稳定发展，以及缩放的线性增长率，电流片宽度，并在电流片中断占主导地位的波数。这些缩放不仅取决于伦德奎斯特数，而且还取决于初始噪声幅度。提出了一种唯象模型，再现模拟结果的缩放。该模型采用了重连流出的效果，这是至关重要的产生一个临界伦德奎斯特数$S_{c}$以下的中断不会发生。临界伦德奎斯特数$S_{c}$不是恒定值，但对噪声幅度具有弱依赖性。
2017-10-03 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.flu-dyn
Magnetic reconnection and plasmoid formation driven by the two-dimensional resistive kink instability in a current hole configuration
我们调查的非线性演化的$m = 1$电阻内部扭结模式在一个二维（2D）配置包含一个中心区域的负电流密度，也被称为“电流孔”设置。有限元程序FINMHD用于求解一组简化的不可压缩磁流体动力学（MHD）方程与电流涡公式。首先，扭结不稳定性线性发展与电阻性内部扭结模式的一般理论一致，并随后导致电流片的形成。在相对较低的伦德奎斯特数$S$，磁重联过程进行的速度预测的斯威特帕克制度。相反，当$S$超过一个临界值，即$S_c \simeq 10^4$时，电流片会被稍低于阿尔文时间尺度的等离子体团的形成所破坏。在后一种情况下，一个随机重联制度表现出Petshek型功能丰富的等离子体团达到。还测量了$0.02$阶的相对快的归一化重连率值。最后，我们比较我们的结果与那些在类似的2D以前的研究中使用理想的MHD不稳定性启动的过程，并讨论其相关的等离子体链的形成和相关的快速重联制度的一般理论。
2020-10-02 astro-ph.SR physics.plasm-ph
FINMHD: an adaptive finite element code for magnetic reconnection and plasmoid chains formation in Magnetohydrodynamics
解决快速爆发事件的问题，在磁性占主导地位的天体物理等离子体需要使用特别适合的数值工具。事实上，基于磁重联的中心机制是由一个复杂的行为与准奇异形成的电流层丰富的相关的小尺度磁岛称为等离子体团。本文提出了一种求解二维耗散磁流体动力学方程的新程序。一个不可压缩的模型的电流涡度制定代表选择，以遵循的电流片的形成和随后的磁重联过程。在非结构网格上采用二次基函数三角形有限元离散，并通过高度自适应的特征- Galerkin格式实现。简化的测试方程，并最终为磁重联相关的两个排斥电流通道之间的倾斜不稳定性的非线性发展的代码的适应性说明。改变伦德奎斯特数S，可以研究稳态Sweet-Parker重联状态（S < 10^4）和等离子体团主导重联状态（S > 10^5）之间的转变。解释在天体物理环境中，如在太阳日冕中的自由磁能的快速转换的机制的理解的影响进行了简要的讨论。
2019-06-03 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Three-dimensional plasmoid-mediated reconnection and turbulence in Hall magnetohydrodynamics
本文研究霍尔MHD中三维等离子体团介导重联，发现三维条件下单X线重联比二维更不易发生，且在特定Lundquist数和尺度比下可实现自生湍流重联，并分析了其能谱与各向异性特征。
2024-08-05 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Onset of Fast Reconnection in Hall Magnetohydrodynamics Mediated by the Plasmoid Instability
超Alfvénic等离子体团不稳定性的快速重联的发病中的作用进行了研究，通过最大的霍尔磁流体动力学模拟到目前为止，与系统的大小高达$10^{4}$离子集肤深度（$d_{i}$）。它表明，等离子体团不稳定性可以促进发病的快速霍尔重联，在一个制度，否则发病将无法访问，因为Sweet-Parker宽度是显着高于$d_{i}$。然而，霍尔重联的拓扑结构不一定是一个稳定的X点。存在一个中间区域，其中单个X点拓扑本身表现出不稳定性，导致系统在单个X点几何形状和由等离子体团不稳定性产生的具有多个X点的扩展电流片之间交替。通过一系列的模拟与各种系统的大小相对于$d_{i}$，它表明，系统的大小影响的可达性的中间政权。系统规模越大，越容易实现中间状态。虽然我们的霍尔MHD模型缺乏许多重要的物理效应，包括在完全动力学模型，一个单一的X点几何形状是不可避免的事实，提出了有趣的可能性，霍尔MHD模拟可能有潜力实现重联的几何特征类似于在完全动力学模拟，即扩展的电流片和等离子体团形成。
2011-07-18 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
High Lundquist Number Resistive MHD Simulations of Magnetic Reconnection: Searching for Secondary Island Formation
最近，由于Sweet-Parker电流片的撕裂不稳定性而形成的次级岛被认为是导致快速重联的可能机制（对Lundquist数$S$的敏感性较低），使用粒子单元（PIC）方法[Daughton等人，2009]以及使用电阻磁流体动力学（MHD）[Lapenta 2008; Bhattacharjee等人，2009年]。当$S$大于某个阈值时，认为会出现这种不稳定性。这些最新的结果促使我们进行更多的电阻MHD模拟的基础上的岛屿合并不稳定性的基本重联配置，使用更高的分辨率和更大的$S$。我们的模拟是基于一个相当标准的伪谱码，已经测试了准确性，收敛性，并与使用其他方法的代码进行了比较[Ng et al. 2008]。在我们的模拟中，没有发现等离子体团的形成，除了当分辨率不足时，或者当外部添加少量噪声时。重新连接率被发现遵循的Sweet-Parker缩放时，没有噪音被添加，但增加到一个独立的$S$与噪音的水平，当等离子体团的形式。将介绍$S$至$2 \times 10^5$的最新结果。
2011-06-02 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Marginal Stability of Sweet-Parker Type Current Sheets at Low Lundquist Numbers
磁流体动力学模拟表明，一个非唯一的临界伦德奎斯特数$S_c$存在，徘徊在$S_c \sim 10^4$，超过阈值Sweet-Parker型静态重连配置变得不稳定的快速撕裂模式为主的等离子体团生成。人们知道，沿表的流动起着稳定的作用，虽然一个令人满意的解释的非普适性和可变的临界伦德奎斯特数观察仍然缺乏。在这里，我们讨论了这个问题，使用二维线性MHD模拟和线性稳定性分析的Sweet-Parker型电流片在存在背景的固定流入和流出在低伦德奎斯特数（$S\le 10^4$）。模拟结果表明，不均匀的流出稳定的电流片通过拉伸不断增长的磁岛，并在同一时间疏散的磁岛的电流片。这限制了在任何给定波长处开始的波动可以保持不稳定的时间，使得不稳定性为非指数的。我们发现，基于扩展波长假设的线性理论适用于大于$\sim 1000$的$S$。然而我们还发现，来流和初始扰动位置也会影响稳定阈值。
2018-04-09 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Formation of plasmoid chains and fast magnetic reconnection during nonlinear evolution of the tilt instability
通过二维不可压缩磁流体动力学（MHD）数值模拟，研究了当Lundquist数$S$超过一个临界值（磁普朗特数，$P_m = 1$）时，等离子体团链形成所支持的快速碰撞磁重联机制.最近开发的特征Galerkin有限元代码，FINMHD，这是专门为此目的而设计的，在一个减少粘阻MHD框架，采用。与以前的研究相反，选择了不同的初始设置的两个排斥电流通道，以形成两个准奇异电流层上的Alfvénic时间尺度的倾斜不稳定性的结果。如果是$S < 5 \times 10^3$，则随后的稳态重连过程是通过经典Sweet-Parker模型预测的速率标度为$S^{-1/2}$获得的。否则，发生随机的时间依赖性重连状态，具有独立于$S$的快速时间平均速率，并且具有$0.014$的归一化值。后一种机制是由两条等离子体团链的形成触发的，这些等离子体团链破坏了电流片，并在静止阶段之后突然发生超阿尔夫文生长，这与Comisso等人提出的等离子体团不稳定性的一般理论一致[Phys. Plasmas 23，100702（2016）]。此外，非单调依赖的等离子体团增长率与$S$以下的渐近递减对数律在无限$S$ -极限被证实。我们还密切比较我们的结果，以评估机制的一般性，在发展过程中获得的合并不稳定设置。最后，我们简要地讨论了我们的结果的相关性，解释耀斑活动在太阳日冕和托卡马克的内部中断。
2020-02-11 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Magnetic reconnection: Self-similar current sheet collapse triggered by "ideal" tearing
利用MHD模拟方法研究了在高Lundquist数（$S\gg10^4$）下坍缩电流片中通过“理想”撕裂模的快速重联的发生和演化。我们首先确认，随着崩溃的进行，快速重联被触发之前，Sweet-Parker型配置可以形成：在线性阶段等离子体团迅速增长的几个阿尔文倍时，预测的“理想”撕裂阈值$S^{-1/3}$接近从上面;线性阶段后，初始不稳定性，X点崩溃和重组非线性。我们发现，这些引起的撕裂事件的层次结构重复越来越快，在越来越小的尺度上的电流片，对应于触发的“理想”撕裂在重整化伦德奎斯特数。在电阻性磁流体动力学中，这一过程应以微观尺度下亚临界（$S \leq10^4$）Sweet Parker片的形成而结束。我们提出了一个简单的模型描述的非线性递归演化，解释了初始片的破坏的时间尺度。
2015-10-22 physics.plasm-ph
Dynamic evolution of current sheets, ideal tearing, plasmoid formation and generalized fractal reconnection scaling relations
磁重联可能是使储存在磁场中的能量突然释放的基本过程，太阳耀斑和日冕物质抛射（CME）是典型的自然等离子体例子。磁重联是一个太慢的过程，在大尺度上是有效的，但一旦在系统中形成足够小的尺度，就会加速。由于这个原因，分形重联方案被引入（Shibata和Tanuma 2001）来解释太阳大气中的爆炸事件：它是基于递归触发和崩溃，通过撕裂不稳定性的电流片最初在日冕中的灯丝上升期间变薄。在这里，我们比较了不同的分形重联的情况下，已经提出，并推导出广义的递归触发的快速，“理想”-即伦德奎斯特数独立-撕裂崩溃的电流片配置与任意电流剖面形状。一个重要的结果是，Sweet-Parker标度与Lundquist数，如果解释为一个理想的不稳定片中的奇异层的纵横比，是通用的，并不依赖于当前的配置文件中的表的细节。然而，这样的缩放不能被解释为静止重连，而是它定义了一个步骤，在加速序列的事件的理想撕裂介导的分形级联。我们计算缩放等离子体团的预期数量为通用配置文件和现实的伦德奎斯特数。
2019-03-22 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Do plasmoids induce fast magnetic reconnection in well-resolved current sheets in 2D MHD simulations?
Universidade de São Paulo（圣保罗大学）；University of Wisconsin（威斯康星大学）
研究通过高分辨率二维MHD模拟探讨撕裂模不稳定性的发展，发现当磁流体动力学数S大于等于10^3且小于等于5×10^5时，磁重联速率遵循Sweet-Parker尺度，但随着S增大，反磁流体形成导致重联速率略有增强，表明重联仍受电阻率影响。
2026-03-24 astro-ph.HE hep-th physics.plasm-ph
Non-linear Tearing of 3D Null Point Current Sheets
磁重联的速率与伦德奎斯特数在现实的三维（3D）几何形状的比例的方式仍然是一个未解决的问题。它已被证明，在2D快速非线性撕裂允许的重联率变得几乎独立的伦德奎斯特数（“等离子体团不稳定性”）。在这里，我们提出了一个类似的不稳定性在一个完整的3D几何形状，由一个磁零点定义的第一次研究。的3D零电流层被发现是容易受到类似的不稳定性，但比一个等效的2D斯威特-帕克-类层稍微更稳定。撕裂的片创建一个薄的边界层周围的分界线表面，包含在一个双曲线结构，模仿脊柱风扇拓扑的通量包络。当撕裂过程中产生的磁通绳结构在这个包络内演化时，两个拓扑域之间的磁通有效混合发生。这导致两个域之间的重连率大幅增加。
2014-06-06 physics.plasm-ph
"Ideally" unstable current sheets and the triggering of fast magnetic reconnection
磁重联被认为是在空间和实验室中观察到的许多爆炸现象的动力学机制，尽管在如此高的Lundquist（$S$）数等离子体中触发磁重联的速度有多快的问题仍然是难以捉摸的。已经确定的是，一旦达到动力学尺度，重连可以比传统预测的更快地发展。它也已被证明，在电阻磁流体力学（MHD）的框架内，快速重联实现足够薄的片材通过所谓的等离子体团不稳定性的发病。后者是在专门研究斯威特-帕克电流片的研究中发现的，无论是作为初始条件还是在非线性研究中发展的明显瞬态。另一方面，快速撕裂不稳定性可以在理想情况下增长，即，$S$ -独立的，时间尺度（被称为“理想”撕裂）在当前片的纵横比尺度与宏观伦德奎斯特数为$L/a\sim S^{1/3}$ -比斯威特帕克一个小得多-提出了一种新的方法来接近崩溃的电流配置中的快速重联的启动。在这里，我们提出了一个概述，我们所谓的“理想”撕裂电阻MHD，并讨论如何同样的推理可以扩展到其他常用的等离子体模型，包括电子惯性和动力学效应。然后，我们讨论了一个方案的发病“理想”的快速重联通过崩溃的电流片，并描述了一个定量模型的非线性演化的解释“理想”的不稳定片在两个维度。
2016-09-19 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Linear Growth Rate of Compressible Tearing Instability in a Force-Free Current Sheet
Auburn University（奥本大学）；University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）
本文通过线性化完全可压缩MHD方程研究无力电流片中撕裂模的线性增长率，发现可压缩性在高伦德奎斯特数下影响可忽略，在低伦德奎斯特数下显著，并可能影响临界伦德奎斯特数。
2026-09-24 physics.plasm-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
