Kinetic Signatures and Intermittent Turbulence in the Solar Wind Plasma
利用位于1天文单位的Wind航天器的测量结果，在太阳风等离子体中观察到动力学过程与间歇性湍流之间的联系。特别是，动力学效应，如温度各向异性和等离子体加热集中在相干结构，如电流片，这是不均匀分布在空间附近。此外，这些相干结构优先发现在等离子体不稳定的镜像和消防水龙带不稳定性。在这些区域中的不均匀加热（其存在于磁场平行和垂直温度分量中）导致质子比在典型的稳定等离子体条件下热至少3-4倍。这些结果提供了一个新的理解动力学过程中的湍流制度，线性弗拉索夫理论是不足以解释非高斯结构附近的非均匀等离子体动力学。
2012-04-13 physics.plasm-ph physics.space-ph
Dependence of Kinetic Plasma Turbulence on Plasma beta
我们研究了等离子体\b{eta}（等离子体压力与磁压力的比值）对动力学等离子体湍流演化的影响。我们发现，等离子体\b{eta}系统地影响光谱，测量的折射率，湍流波动的衰减率，并划分在不同的通道的能量交换更具体地说，增加等离子体\b{eta}导致更大的总加热，质子加热优先超过电子。实现磁鞘的温度比的影响进行了讨论。
2018-07-30 astro-ph.GA physics.plasm-ph physics.space-ph
Co-existence of Whistler Waves with Kinetic Alfven Wave Turbulence for the High-beta Solar Wind Plasma
结果表明，哨声波的色散关系是相同的高或低β等离子体。此外，在高β太阳风等离子体哨声波满足朗道共振与电子的速度小于热速度，因此电力是小的相比，镜力。当哨声通过不均匀的太阳风传播时，垂直波数通过折射增加，从而增加朗道阻尼率。然而，哨声可以生存，因为背景动力阿尔芬波湍流创建一个平台，准线性扩散的太阳风电子分布在小速度。结果表明，当哨声能量密度仅为动力学Alfven波的~10^-3时，哨声引起的准线性扩散速率与KAW相当。因此，非常小的振幅哨声湍流可以有一个显着的后果，太阳风电子分布函数的演变。
2012-08-02 physics.plasm-ph physics.space-ph
Role of reconnection in inertial kinetic-Alfven turbulence
在弱碰撞、低电子β等离子体中，大尺度阿尔文湍流在小于离子微尺度（陀螺尺度或惯性尺度）的尺度下转化为惯性动力学阿尔文湍流。我们建议，在这样的动力学尺度，非线性动力学倾向于组织成薄电流片湍流涡旋，与存在的两个保守的积分的理想方程，能量和螺旋度。强各向异性结构的形成被撕裂不稳定性所阻止，撕裂不稳定性在垂直于引导场的平面中的每个尺度$a$处设置涡旋的临界纵横比。该纵横比由涡流周转率和撕裂率的平衡来定义，并且取决于当前片的假定轮廓而从$(d_e/a)^{1/2}$变化到$d_e/a$。由此产生的湍流的能谱从$k^{-8/3}$变化到$k^{-3}$，并且相对于强背景磁场的相应谱各向异性从$k_z\lesssim k_\perp^{2/3}$变化到$k_z\lesssim k_\perp$。
2019-10-27 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
Revisiting compressible and incompressible pressure-strain interaction in kinetic plasma turbulence
本文通过动力学 PIC 模拟重新分析等离子体湍流压力-应变相互作用，指出 Pi-D 并非纯不可压缩项，其可压缩成分在低 β 条件下显著且与不可压缩 Pi-D、压力膨胀反相关。
2025-03-14 physics.plasm-ph physics.space-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
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
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
Electron-only reconnection in kinetic Alfvén turbulence
我们研究数值小尺度重联事件的动力学，低频，准二维湍流（称为动力学阿尔文湍流）。使用二维粒子模拟，我们证明了这种湍流会产生重连结构，其中电子动力学不会耦合到离子，类似于Phan等人最近在地球磁鞘中检测到的仅电子重连事件。因此，只有电子重联是动力学阿尔文湍流的固有特性，其中电子流片具有有限的各向异性，因此它们的尺寸小于离子惯性尺度。发现这种纯电子事件的重联率接近于$0.1$。
2020-01-14 physics.plasm-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
Turbulent spectra and spectral kinks in the transition range from MHD to kinetic Alfvén turbulence
本文首次在MHD/动力学湍流转捩的背景下，对动力学Alfvén湍流的弱色散子区（WDR）进行了区分和研究。在WDR中发现了动力学Alfvén波（KAWs）的强湍流和弱湍流分别形成的垂直波数谱~ k^{-3}和~ k^{-4}。这些陡峭的WDR光谱连接在MHD和强色散KAW子范围内的较浅的光谱，这导致在观察到的湍流光谱中经常看到的特定的双扭结（2-k）图案。第一个弯折发生在MHD湍流转变为弱色散KAW湍流的地方，第二个弯折发生在弱色散和强色散KAW子区之间。我们的分析表明，部分湍流耗散由于振幅依赖的超绝热离子加热可能发生在附近的第一个光谱扭结。这个过程的类阈值性质导致有条件的选择性耗散，仅影响最大的超阈值振幅，并在低于第一光谱扭结的范围内降低不稳定性。最近的几个反直觉的观测结果可以解释的选择性耗散耦合到弱色散KAWs之间的非线性相互作用。
2011-05-10 astro-ph.EP 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
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
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
Kinetic wave activity and proton heating in 3D hybrid simulations of decaying balanced and imbalanced Alfvénic turbulence
The University of Texas at Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校）
该研究通过三维混合模拟对比平衡与不平衡阿尔文湍流，发现交叉 helicity 是控制无碰撞湍流等离子体大尺度演化、动力学活动和能量耗散的关键参数，平衡湍流的能量耗散与质子加热更显著。
2026-10-09 physics.plasm-ph 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
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
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
von Kármán energy decay and heating of protons and electrons in a kinetic turbulent plasma
衰减的时间未驱动的弱碰撞动力学等离子体湍流的系统大的离子动力学尺度相比，研究使用完全电磁粒子在细胞模拟开始与横向流动和磁扰动，恒定密度，和一个强大的引导场。所观察到的能量衰减是一致的冯卡门假设的相似性衰减，在制定适应磁流体力学（MHD）。动力耗散发生在小尺度上，但总的速率显然是由大尺度动力学控制。在小的湍流幅度下，电子优先被加热。在更大的振幅质子加热是主要的效果。在太阳风和日冕中，质子通常更热，这表明这些自然系统处于大振幅湍流状态。
2013-08-30 physics.plasm-ph physics.space-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
On the radial propagation of turbulence in gyro-kinetic toroidal systems
本文利用陀螺动力学框架的局部近似，导出了环面几何中径向相关熵的守恒方程。这个方程自然地导致湍流强度的有效定义。结果表明，守恒方程可以分裂成两个单独的守恒方程，一个描述的动力学的带状模式和非带状模式之一。从本质上讲，本文提供了一个操作工具，分析以及数值研究托卡马克等离子体中的湍流径向传播。
2014-08-06 physics.plasm-ph
Intermittency and electron heating in kinetic-Alfvén-wave turbulence
我们报告的分析和数值研究的低β等离子体中的亚离子尺度的湍流，侧重于波动和电子加热的光谱特性。在等温极限下，数值结果强烈支持Boldyrev & Perez（Astrophys. J. Lett. 758，L44（2012））以包括间歇性效应。当去除等温性的约束时（即，包括电子动力学物理），发现由于电子朗道阻尼，能谱变陡，这是通过电流片周围的对流非线性的局部减弱而实现的，并且经由速度-空间级联产生显著的能量耗散。使用厄米多项式表示来表达电子分布函数的速度空间依赖性，使我们能够获得分析，最低阶的解决方案的厄米矩的分布，这是证明了数值模拟。
2022-08-04 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
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
From Liouville's theorem to quasilinear, nonlinear stochastic, and fractional transport, a multi-scale kinetics of plasma turbulence
从Liouville方程出发，系统地导出了相空间多尺度输运方程。基于第一性原理提出的相空间多尺度输运方程表明，非线性随机输运是由微湍流散射引起的，而常见的准线性输运是由中尺度相干模的长程关联引起的;更有趣的是，它展示了分数输运方程的系统推导，可以提供一个新的观点-角度来理解在等离子体湍流中观察到的异常传输。多尺度动力学提出了一种通过形成非线性自组织稳定的大尺度结构来改善约束的新方法。
2014-01-13 physics.plasm-ph
Entropic Force in MHD, MHD turbulence, and the Entropy-Kinetic Equation
本文研究源于空间无序的排斥性熵力，将其应用于磁流体动力学，发现其显著影响湍流谱斜率（与回旋动理学模拟一致），并基于吉布斯-玻尔兹曼熵将刘维尔方程重构为熵-动理学方程，以描述经典熵的自洽演化。
2023-05-14 cond-mat.stat-mech 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
Kinetic effects in strong Langmuir turbulence
研究了一维类朗缪尔孤子脉冲的动力学效应。虽然到目前为止，主要是过境时间的加速度已被调查有关强朗缪尔湍流，它被发现，有质动力反射（广义非线性朗道阻尼）可能也发挥重要作用。前者可以将快电子扩散到相对论能量，而后者反射慢电子以及具有与脉冲的群速度相当的速度的离子，并且倾向于在准孤子处和周围形成平顶电子分布。
2004-11-09 physics.plasm-ph
Relativistic Alfvén turbulence at kinetic scales
本文通过唯象建模与粒子模拟研究强磁化相对论性等离子体中动理学尺度的阿尔芬湍流，提出其能谱接近 $k^{-3}$ 并类比二维涡量级联的 Kraichnan 谱，同时发现粒子沿背景磁场被强烈加速形成具有普适对数正态统计的一维动量分布。
2024-04-02 physics.plasm-ph
Four-dimensional equations for the study of electromagnetic plasma turbulence in a drift kinetic limit
对于直磁引导场中的磁化等离子体，我们导出了一组四维动力学方程，它可以在漂移动力学极限下捕捉电磁湍流。为了做到这一点，我们从陀螺运动方程出发，在垂直速度方向上采用拉盖尔分解，只保留占主导地位的gyroaverage贡献和只有前两个拉盖尔矩的电磁波动源。该模型保存自由能，并可以描述电磁湍流的等离子体之间的过渡流体和gyrokinetic制度（$k_\perp ρ_i\approx 1$范围内的尺度），占主导地位的有限拉莫尔半径（FLR）的影响被认为是。除了位置空间中的三维，我们保留了平行速度依赖性，我们通过厄米表示来描述。采用这个系统，但没有任何其他物理为基础的假设等离子体的物种，可以偏置的结果，将使我们能够调查流体的影响如何过渡到动力学范围，并分析电磁等离子体湍流的空间和速度空间混合之间的相互作用。
2021-09-07 physics.plasm-ph
Optimal Landau-type closure parameters for two-fluid simulations of plasma turbulence at kinetic scales
Ruhr University Bochum（波鸿鲁尔大学）
本文研究了在等离子体湍流动能尺度下，使用Landau型闭合参数的两流体模拟方法，证明其能有效重现完全动能模拟结果，为大规模模拟提供替代方案。
2025-09-10 physics.comp-ph 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
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
Kinetic plasma turbulence: recent insights and open questions from 3D3V simulations
在过去的几十年里，人们通过\emph{in-situ}航天器测量、理论模型和数值模拟对磁化空间等离子体中的湍流和动力学过程进行了广泛的研究。特别是，\emph{Cluster}和\emph{MMS}空间飞行任务的多点高分辨率测量揭示了在等离子体动力学尺度上发生的过程的全新世界，并暴露了对其理论解释的新挑战。关于太阳风湍流中离子和电子尺度波动的性质及其通过无碰撞等离子体机制的耗散，存在着长期的争论。除了观测之外，数值模拟一直在为现有理论和模型提供测试基础方面发挥着核心作用。在这个角度来看，我们讨论了我们的3D 3V（减少和完全）动力学模拟所取得的进展，以及这些研究留下的主要问题（或提出）。为此，我们结合我们最近的动力学模拟的自由衰减和连续驱动的波动，以评估在子离子范围内的等离子体湍流的性质的相似性和/或差异的数据。最后，我们讨论了该领域未来可能的发展方向，并强调需要结合不同类型的数值和观测方法，以提高对湍流空间等离子体的理解。
2019-10-11 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
On the kinetic theory of turbulence in plasmas
从非线性（NL）Vlasov方程，NL湍流散射项被发现来描述时间尺度上的随机耗散长于湍流相关时间。等离子体分布的演变是由带电粒子的未扰动运动所决定的，其影响由湍流散射项描述。在新的框架中，人们可以识别各种重要的物理学，涵盖从线性和准线性到NL制度;特别是广泛使用的Kadomtsev-Pogutse方程和Frieman-Chen方程之间的联系。NL散射项表示湍流输运的Onsager对称关系和共振激发波的NL频率或k谱偏移。
2013-05-03 physics.plasm-ph
Fully kinetic versus reduced-kinetic modelling of collisionless plasma turbulence
我们报告的结果之间的直接比较不同的动力学模型的无碰撞等离子体湍流在两个空间维度。考虑的模型包括第一原理全动力学（FK）的描述，两个广泛使用的简化模型[gyrokinetic（GK）和混合动力学（HK）与流体电子]，和一种新的简化gyrokinetic方法（KREHM）。考虑两种不同的离子β（$β_i$）制度：0.1和0.5。对于$β_i=0.5$，GK和FK模型之间的良好协议被发现在尺度范围从离子到电子回旋半径，从而提供了有力的证据动力学Alfvén级联的情况。在相同的范围内，HK模型产生较浅的光谱斜率，大概是由于缺乏电子朗道阻尼。对于$β_i=0.1$，对谱比的详细分析揭示了GK和FK在动力学尺度上的描述略有不同，尽管动力学阿尔文涨落可能仍然起着重要作用。这种差异可以追溯到离子回旋半径以上的尺度，FK和HK的结果似乎表明在两个等离子体β制度中存在快磁声和离子伯恩斯坦模式，但在低β情况下与GK有更显著的偏差。确定的实际限制和强度的简化动力学近似，在这里与全动力学模型的情况下，在个案的基础上进行比较，可能会提供有价值的洞察力在发挥作用的主要动力学效应在湍流碰撞等离子体，如太阳风。
2017-09-20 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Kinetic Simulations of Imbalanced Turbulence in a Relativistic Plasma: Net Flow and Particle Acceleration
湍流高能天体物理系统通常具有不对称的能量注入：例如，阿尔芬波从吸积盘传播到其日冕。这样的系统是“不平衡的”：与大尺度磁场平行和反平行的能通量是不相等的。在过去，不平衡湍流的数值研究主要集中在磁流体力学制度。在本研究中，我们使用三维粒子池（PIC）模拟研究了无碰撞、超相对论热、磁化对等离子体中的外部驱动不平衡湍流。我们发现，注入的电磁动量有效地转换成等离子体动量，导致净运动沿背景磁场的速度高达光速的一个显着的分数。这一发现对吸积盘风的发射具有重要意义。我们还发现，虽然在不平衡湍流中的粒子加速比在平衡湍流中的时间尺度更慢，但它最终会产生类似于平衡湍流的幂律能量分布。我们的研究结果对黑洞吸积盘日冕、风和喷流都有影响。
2021-12-12 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Tearing instability in Alfvén and kinetic-Alfvén turbulence
近年来，人们认识到磁等离子体湍流和磁场重联是一种内在相关的现象。湍流波动产生剪切磁场区域，该剪切磁场区域由于撕裂不稳定性和重联而变得不稳定，从而在相应的尺度上改变湍流。在这篇文章中，我们给出了一个简短的讨论撕裂介导的磁湍流的一些最近的结果。我们说明了这个迅速发展的研究领域的主要思想集中在两个重要的例子-磁流体动力学阿尔文湍流和小尺度动力学阿尔文湍流。由于这些现象在空间物理学和天体物理学中的各种潜在应用，我们特别试图不通过繁重的分析推导来过载文本，而是提出一个非湍流和重连理论专家可以访问的定性讨论。
2019-10-27 astro-ph.GA physics.plasm-ph
Identification of intermittent multi-fractal turbulence in fully kinetic simulations of magnetic reconnection
最近的磁重联的完全非线性、动力学三维模拟[Daughton et al. 2011]以一种让人联想到湍流的方式演化了结构并展示了多尺度上的动力学。这些模拟的重联是第一次在足够的时空分辨率进行，以允许正式的定量分析，我们在这里提出的统计尺度。我们发现，由重联产生的磁场波动是各向异性的，具有非平凡的空间相关性，并表现出有限范围的流体湍流的标志，它们具有非高斯分布，表现出扩展的自相似性，在其标度和空间多重分形。此外，我们发现，该领域J.E也是多重分形，使磁能转换为等离子体动能的方式，是空间间歇性的。这表明，在这个意义上的耗散在动力学尺度上的无碰撞重联有类似的流体湍流现象，因为它通过间歇级联产生的多重分形结构进行。
2013-02-07 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
Spectral anisotropies and intermittency of plasma turbulence at ion kinetic scales
利用三维高分辨率混合模拟方法，研究了离子动力学尺度附近和以外的磁场谱各向异性特性。通过使用傅立叶分析和基于多点二阶结构函数技术的局部分析，我们表明，所观察到的各向异性小于标准波简正模湍流理论所预期的，尽管非线性能量传输仍然是在垂直方向上，仅在平行方向上平流，如预期的那样平衡非线性能量传输时间和去相关时间。这样的结果可以用一个唯象模型来解释，该模型基于在垂直于局部平均场的平面中形成强间歇性二维结构，这些结构最终取决于尺度而具有一定的规定纵横比。该模型支持小尺度结构，如重连电流片，有助于显着的湍流级联的形成在动力学尺度的想法。
2019-04-17 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
As a matter of tension -- kinetic energy spectra in MHD turbulence
磁化湍流普遍存在于许多天体物理和地球系统中，但即使是最简单的形式，磁流体力学（MHD），也没有完整的，无可争议的理论。许多理论和现象学都集中在联合（动能和磁场）的能量通量和光谱。我们强调的重要性，分别处理动能和磁能阐明MHD湍流动力学。我们进行了一个隐式大涡模拟亚音速，超Alfvénic MHD湍流和分析的尺度随时间的能量转移。我们的关键发现是，动能谱开发的缩放约$k^{-4/3}$在固定制度的动能级联被抑制的磁张力。这促使重新评估现有的MHD湍流理论的能量通量的一个更有区别的建模。
2020-09-07 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.flu-dyn
Resonance Broadening Induced Nonlinear Saturation of Kinetic Alfven Turbulence in the Interplanetary Plasma
利用共振加宽理论研究了束粒子激发的离子回旋阿尔芬湍流的饱和问题。使粒子去相关的随机散射包括由电场引起的随机加速和湍流磁镜像效应。湍流镜像产生非高斯修正的轨道，即使随机电场和磁场是高斯。预测的稳态湍流水平呈现出峰值角分布，最大值在θ ~ 60度附近。
1996-12-31 adap-org astro-ph nlin.AO
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
Fast Zonal Field Dynamo in Collisionless Kinetic Alfven Wave Turbulence
论证了无碰撞动力学阿尔芬波湍流产生快速发电机作用的可能性。电子朗道阻尼提供了锁定所产生的场所需的不可逆性，因此感应电场不会随电阻率而消失。的系统和这些结果的关系的理论的α淬火的自我调节机制进行了讨论。发电机产生的场具有类似于纬向流的对称性，因此称为纬向场。
2001-01-10 astro-ph physics.plasm-ph
A Model for Dissipation of Solar Wind Magnetic Turbulence by Kinetic Alfvén Waves at Electron Scales: Comparison with Observations
在流体动力学湍流中，耗散尺度的长度取决于能量级联率，即，每单位质量的能量输入率越大，就越需要将湍流波动驱动到越来越小的尺度以耗散更大的能通量。磁谱能量密度的观测表明，这种直观的图像是不成立的太阳风湍流。耗散似乎在不同的太阳风条件下以相同的长度尺度开始，与能量通量无关。为了更详细地研究这种差异，我们提出了一个解析耗散模型太阳风湍流在电子尺度上，我们观察到的谱密度进行比较。我们的模型结合了从大尺度到小尺度的能量传输和无碰撞阻尼，这将能量从动力学机制中的磁波动中去除。我们假设动力学Alfvén波（KAW）的波粒相互作用是主要的阻尼过程。由热等离子体色散关系得到了KAW的波频率和阻尼率。我们的模型假设一个临界平衡湍流，较大的能量级联率激发较大的平行波数为一定的垂直波数。如果耗散是额外的波浪驱动，使得耗散率与平行波数成比例（如KAW），则能量级联率的增加被相同垂直波数的耗散率增加抵消，导致耗散长度与能量级联率无关。
2017-01-03 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
On the scaling of ion and electron temperature gradient driven turbulence in slab geometry
我们证明，板状离子和电子温度梯度驱动的湍流的标度特性可以通过一维漂移动力学系统的量纲分析导出。这些特性以前已经在磁聚变装置中湍流的陀螺动力学模拟中观察到。
2017-03-09 physics.plasm-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
Ion Kinetics and Neutron Generation Associated with Electromagnetic Turbulence in Laboratory-scale Counter-streaming Plasmas
本研究利用高阶隐式粒子模拟代码，定量揭示实验室尺度对撞等离子体中电磁湍流对离子动力学的影响机制，解释了非磁化实验结果，磁化场景结论可通过现有实验验证。
2024-03-12 physics.plasm-ph
Spectrum of kinetic plasma turbulence at 0.3-0.9 astronomical units from the Sun
我们研究了太阳风中湍流的光谱特性，太阳风是一种弱碰撞的天体物理等离子体，可以进行现场观测。使用太阳神搜索线圈磁强计测量在快速的太阳风，在内日球层，我们专注于在尺度小于离子特征尺度的湍流磁波动的属性，所谓的动力学等离子体湍流。在这样的小尺度下，我们发现，从太阳0.3和0.9 AU之间的磁功率谱具有通用的形状$\sim f^{-8/3}\exp{(-f/f_d)}$的耗散频率$f_d$与多普勒频移$f_{ρe}$的电子拉莫尔半径。该行为具有统计学显著性：所有观察到的动力学光谱均通过该模型（使用$f_d = f_{ρe}/1.8$）进行了良好描述。结果表明，电子回旋半径在太阳风中起着耗散尺度的作用，标志着电磁级联的结束。
2021-12-23 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Kinetic-scale magnetic turbulence and finite Larmor radius effects at Mercury
我们使用的高阶结构函数技术的非平稳泛化调查的磁场波动记录的信使号航天器在其第一次飞越（01/14/2008）通过近水星的空间环境的统计特性，重点是关键的边界区域参与的太阳风-磁层相互作用。我们的分析表明，第一次，动力学尺度的波动发挥了重要作用，在水星的磁层最大的可分辨的时间尺度~20 s所施加的信号的非平稳性，这表明在这个星球上的湍流在很大程度上是由有限的拉莫尔半径的影响。特别是，我们报告了一个高度动荡和扩展的前震系统充满了包的超低频振荡，宽带间歇性波动的磁鞘，离子动力学湍流在中央等离子体片的水星的磁尾，和动力学尺度的波动，内电流片遇到的出站（黎明侧）磁层顶。总的来说，我们的测量表明，Hermean磁层，以及周围地区，强烈的影响，由有限大小的回旋轨道的构成离子物种的非MHD效应。这些效应的物理机制及其对水星磁场结构和动力学的潜在关键影响仍有待了解。
2011-04-13 cond-mat.stat-mech physics.plasm-ph 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
Turbulent drag reduction in magnetohydrodynamic and quasi-static magnetohydrodynamic turbulence
在流体动力学湍流中，大尺度注入的动能级联到惯性范围，导致恒定的动能通量。相反，在磁流体动力学（MHD）湍流中，一部分动能被转移到磁能。因此，对于相同的动能注入率，MHD湍流中的动能通量与其流体动力学对应物相比减小。这导致非线性项（$\la | ({\bf u}\cdot \nabla) {\bf u} | \ra$，其中${\bf u}$是速度场）和湍流阻力相对减弱，但MHD湍流中的速度场增强。我们使用流体动力学和MHD湍流的壳模型模拟来验证上述。准静态MHD湍流也表现出类似于MHD湍流的湍流阻力减小。
2020-04-13 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.geo-ph
