Turbulence and Transport During Guide-Field Reconnection at the Magnetopause
我们分析的发展和影响的湍流在三维粒子模拟的导场磁重联在磁层顶的参数的基础上的电子扩散区的观测磁层多尺度（MMS）任务。沿分界线的湍流是低杂波漂移不稳定性（LHDI）的一种变体，其产生的电场波动幅度远大于重联电场。湍流控制了密度和电流分布的尺度长度，同时使穿过磁层顶的重要传输成为可能，尽管电子仍然冻结在磁场中。在X线附近，电子没有被冻结，并且与LHDI不同的湍流通过反常粘性对广义欧姆定律做出了显著的净贡献。湍流和伴随粒子输运的特征与MMS观测中的波动幅度一致。然而，对于这一事件的模拟表明，MMS航天器没有足够接近的电子扩散区的核心，以确定该地区的异常粘度是重要的。
2019-10-04 physics.plasm-ph physics.space-ph
The Effects of Turbulence on Three-Dimensional Magnetic Reconnection at the Magnetopause
对磁层多尺度飞行任务（MMS）最近遭遇的磁层顶电子扩散区进行了二维和三维粒子模拟。虽然二维模拟是层流的，但在三维模拟中，湍流在x线处和沿磁分离线发展。湍流的强度足以使重联岛周围的磁场发生混乱，并产生异常电阻率和异常粘滞性。每一个都对打破电子扩散区的冻结条件有很大贡献。令人惊讶的是，在MMS观测和二维模拟中看到的速度空间中的新月形特征即使在三维系统的湍流环境中也存在。这表明MMS对新月形分布的测量并不排除湍流在磁层顶重联中起重要作用的可能性。
2016-06-07 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
Magnetopause reconnection and indents induced by foreshock turbulence
基于全球混合模拟结果，我们预测前震湍流可以到达磁层顶，并导致重联以及地球大小的凹痕。在我们的模拟中，行星际磁场（IMF）和太阳风都是恒定的，因此所有的动力学都是由前震不稳定性产生的。在模拟中的IMF主要是太阳地球对齐一个弱的北向和零黎明黄昏的组成部分，这样的太阳下磁层顶重联预计没有前震湍流修改磁鞘场。我们给出了一个重联的例子来说明，湍流可以产生大的磁剪切角横跨磁层顶，诱导局部突发重联。磁层顶重联和由前震湍流的影响而产生的凹痕可能有助于行星等离子体的昼侧损失。
2021-04-23 astro-ph.EP physics.plasm-ph physics.space-ph
Turbulence in Three-Dimensional Simulations of Magnetopause Reconnection
我们详细分析了在磁层顶磁重联的三维粒子模拟中观察到的湍流。这些参数代表了磁层多尺度（MMS）任务中遇到的电子扩散区。湍流被发现开发周围的磁性X线和separatrices，是电磁的性质，其特征在于波矢量$k$由$kρ_e\sim(m_eT_e/m_iT_i)^{0.25}$与$ρ_e$的电子拉莫尔半径，并出现了离子压力梯度作为其自由能的来源。总之，这些结果表明，不稳定性是一个变种的低杂波漂移不稳定性。湍流在面外方向（重联电场的方向）上产生电场波动，其幅度约为$\pm 10$ ~mV/m，这远大于约为$0.1$ ~mV/m的重联电场。在MMS数据中已经识别出平面外电场的如此大的值。模拟中的湍流控制了非对称重联中密度分布和电流层的标度长度，使它们比2-D重联模拟中看到的$ρ_e$或$d_e$标度更接近$\sqrt{ρ_eρ_i}$，并在电子扩散区产生显著的异常电阻率和粘度。
2018-05-03 physics.plasm-ph physics.space-ph
Anisotropic electron heating in turbulence-driven magnetic reconnection in the near-Sun solar wind
我们进行了一个高分辨率的二维全动力学数值模拟的湍流等离子体系统的观测驱动的条件下，以调查之间的相互作用的湍流，磁重联，粒子加热从离子到亚电子尺度的近太阳太阳风。我们发现，湍流等离子体和电磁波动的功率谱显示多个幂律的间隔下到尺度小于电子回旋半径。观察到磁重联发生在对应的电流片的电子惯性长度的顺序，其形成和收缩，由于相互作用的离子尺度的涡旋的厚度。在某些情况下，观察到离子和电子的流出（经典的重联场景），而在其他情况下-通常对于最短的电流片-只有电子射流（“电子重联”）。在重联开始时，电子温度开始增加，并发展出强烈的平行温度各向异性。这表明在强湍流中，电子尺度相干结构可能对电子加热起着重要作用，因为脉冲和局部化现象，如磁重联，可能比与波动相互作用相关的阻尼机制更有效地将能量从电磁场转移到粒子。
2022-05-18 physics.plasm-ph physics.space-ph
Turbulence in Magnetic Reconnection Jets from Injection to Sub-Ion Scales
本研究利用磁层多尺度航天器数据探究地球磁尾磁重联喷流湍流，揭示了有限惯性区特征、多尺度能量级联规律及亚离子尺度涨落性质，测得迄今空间等离子体中最高的跨惯性区能量传递率。
2024-01-30 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
Electron acceleration by turbulent plasmoid reconnection
在太空和天体物理等离子体中，就像在行星磁层中一样，如水星，高能电子经常在电流片（CS）附近发现，这暗示了电子通过磁重联加速。不幸的是，通过重联的电子加速还没有得到很好的理解。特别是湍流等离子体团重连的加速。我们已经研究了电子加速湍流等离子体团重联，所描述的MHD模拟，通过测试粒子计算。为了避免将所有相关的湍流尺度分解到耗散尺度，采用平均场湍流模型来描述亚网格尺度（SGS）的湍流及其通过湍流电动势（EMF）的影响。平均场模型将湍流电动势描述为电流密度、涡度、磁场以及湍流能量、交叉螺旋度和剩余螺旋度的平均值的函数。我们发现，主要在湍流重联的X点周围，强烈增强的局部电动势最有效地加速了电子并导致幂律谱的形成。由湍流引起的磁场对准的电动势主导电子加速过程。缩放加速过程的参数的Hermean磁尾，电子能量高达60千电子伏，可以达到通过热等离子体的湍流等离子体团重联。
2018-06-19 physics.plasm-ph physics.space-ph
Nonlinear Reconnection in Magnetized Turbulence
最近对强磁化等离子体湍流的分析工作假设存在一系列尺度，其中撕裂不稳定性可能支配能量级联。在本文中，我们估计的条件下，这种撕裂可能会引起充分的非线性磁重联的湍流涡旋，从而使显着的能量转换和耗散。当这些条件得到满足时，一个新的湍流区域就会出现，其中重连驱动的能量耗散变得很常见，而不是当它们不满足时必然出现的罕见特征。
2019-07-22 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
Properties of turbulence in the reconnection exhaust: numerical simulations compared with observations
本文用自洽等离子体模拟方法研究了磁重联流出流中湍流的性质。正如在空间等离子体中通常观察到的那样，磁重联的特征在于湍流的存在。在这里，我们提供了一个直接的比较，我们的模拟与报告的观测重联事件的磁尾调查的电磁场的性质和能量转换机制。特别是，模拟显示的发展与航天器的观测，统计的湍流外流的耗散机制类似于在磁尾重联射流中观察到的，以及湍流的属性作为一个函数的距离从重联X-线的湍流级联。
2018-10-31 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Non-Maxwellian electron distribution functions due to self-generated turbulence in collisionless guide-field reconnection
非麦克斯韦电子速度空间分布函数（EVDF）是表征等离子体条件和无碰撞磁重联非局域结果的有效信号。在过去，EVDF主要是在反平行重联和垂直于重联平面方向的弱导场的影响下获得的。然而，EVDF对于依赖于较强引导磁场的倾斜（或分量）重联以及对于远离扩散区域的重联的排出（流出）区域还不是众所周知的。针对多航天器磁层多尺度任务（MMS），考虑自生湍流的反馈，推导了从小导场（$b_g\approx0$）到强导场（$b_g=8$）导场$b_g$对无碰撞磁重联的非麦克斯韦EVDF.为此，我们使用ACRONYM代码进行了2.5D全动力学Particle-in-Cell模拟。我们得到了各向异性的EVDFs和电子束沿分界线以及在排气区的重联。光束是各向异性的，在垂直于而不是平行于局部磁场的方向上具有较高的温度。电子束在与背景电子相反的方向上传播并引起不稳定性。我们还得到了相对电子束漂移速度，阈值和由此产生的流不稳定性，包括强烈的非线性饱和的自生等离子体湍流的属性的引导场的依赖性。这种湍流及其非线性反馈导致非绝热平行电子加速和EVDF远远超出准线性近似的限制，产生相空间空穴和各向同性俯仰角散射。
2016-10-06 physics.plasm-ph physics.space-ph
Secondary Electron-Only Reconnection Driven by Large Scale Ion-Coupled Reconnection and Electron Kelvin-Helmholtz Instabilities in Hybrid Simulations of Solar Wind Turbulence
Universidad de Chile（智利大学）；University of Wisconsin-Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）；Università di Pisa（比萨大学）；Northumbria University（诺森比亚大学）
研究通过混合模拟探讨了日冕风湍流中由大尺度离子耦合重联和电子凯尔文-赫姆霍兹不稳定性驱动的二次电子仅重联机制，揭示了其在亚离子尺度的形成过程及能量耗散作用。
2026-05-11 physics.plasm-ph physics.space-ph
Perpendicular ion heating in turbulence and reconnection: magnetic moment breaking by coherent fluctuations
University of California, Berkeley（加州大学伯克利分校）；Lunar and Planetary Laboratory, University of Arizona（亚利桑那大学）；Space Science Center and Department of Physics, University of New Hampshire（新罕布什尔大学）；Department of Physics, University of California, Berkeley（加州大学伯克利分校）
该研究提出了一种理论框架，统一了随机离子加热、回旋加热和重联加热，解释了垂直离子加热在湍流和重联中的机制。
2026-02-23 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
Reconnection from a Turbulence Perspective
使用2.5D动力学粒子在细胞（PIC）模拟的光谱特性与层流，反平行重联检查。重连率和能谱都表现出三个不同的阶段：重连率增长的起始阶段，准稳定阶段和重连率和能谱都下降的下降阶段。在稳定阶段，能谱表现出近似的双幂律行为，在小于逆离子惯性长度的波数处具有接近-5/3的斜率，并且对于高达逆电子惯性长度的较大波数，斜率陡于-8/3。这种行为与柯尔莫哥洛夫能量级联一致，并意味着层流重联可能从根本上是一个能量级联过程。与这个想法一致的是，重联率表现出粗略的相关性与能谱的波数附近的离子惯性长度的倒数。2D频谱是强各向异性的，其中大部分能量与垂直于电流片的波矢量方向相关联。重连的作用是使能谱各向同性，在模拟结束时将谢巴林角从初始值70度减小到约48度（接近各向同性）。
2020-03-17 physics.plasm-ph physics.space-ph
Magnetic Reconnection and Intermittent Turbulence in the Solar Wind
首次利用Wind航天器在1天文单位的现场测量结果，报道了太阳风中磁重联、电流片和间歇性湍流之间的统计关系。我们确定非高斯波动的磁场矢量，$\mathbf{B}$，这是空间和时间上不均匀的增量。发现重联事件和电流片集中在间歇性湍流的间隔中，使用增量的偏方差方法识别：在$\mathbf{B}$中最非高斯的1%波动内，我们发现87%-92%的重联耗尽和$\sim$ 9%的电流片。此外，随着从数据集中去除最小的间歇性波动，所识别的电流片也将对应于重连排气的可能性急剧增加。因此，湍流的太阳风包含了一系列的间歇性磁场结构，这些结构越来越多地与电流片相关联，而电流片又越来越有可能对应于磁重联的位置。这些结果可能对实验室和天体物理等离子体产生深远的影响，因为湍流和磁重联无处不在。
2014-03-18 physics.data-an physics.plasm-ph physics.space-ph
The Interplay Between Collisionless Magnetic Reconnection and Turbulence
本文从理论、数值和观测角度回顾了无碰撞等离子体中磁重联与湍流之间复杂的相互作用，重点介绍了 NASA 的 Magnetospheric Multiscale 任务在地球磁层关键区域提供的新见解。
2024-07-30 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
Subion Scale Turbulence Driven by Magnetic Reconnection
该研究利用空间粗粒化霍尔磁流体模型与MMS卫星数据，首次观测证实磁重联通过向小尺度传递能量驱动亚离子尺度湍流，并得到混合Vlasov-Maxwell模拟支持。
2023-04-20 physics.plasm-ph
Kelvin-Helmholtz versus Tearing Instability: What Drives Turbulence in Stochastic Reconnection?
在过去的几年里，很明显，湍流磁重联和磁化湍流是不可分割的。结果表明，不仅重联是破坏湍流冻结条件的原因，而且三维随机重联本身也会产生湍流。负责这种驱动的实际机制仍然未知。撕裂模式或开尔文-亥姆霍兹等离子体不稳定性等过程可能会从不规则的电流片中产生湍流。我们解决这个过程的驱动机制的性质，并考虑撕裂和开尔文-亥姆霍兹不稳定性的湍流生成过程中的相对作用。特别是，我们分析了这两个不稳定性的三维重联区域内的发展条件。我们发现，这两种不稳定性可以激发湍流的波动在重联区。然而，撕裂模式具有相对缓慢的增长速率，并且在稍后的时间，它变得部分地被横向于湍流波动的增长期间产生的磁场的电流片分量抑制。相反，Kelvin-Helmholtz不稳定性在流出区域迅速建立，并且与撕裂模的贡献相比，在稍后的时间内，Kelvin-Helmholtz不稳定性主导湍流的产生。我们的研究结果表明，撕裂不稳定性是次主导的Kelvin-Helmholtz不稳定性相比，在三维重联层的湍流的产生，因此，自驱动重联是湍流重联与撕裂不稳定性是重要的，只有在初始阶段的重联。
2020-01-20 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
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
Magnetic reconnection-driven turbulence and turbulent reconnection acceleration
该研究采用MHD-PIC方法数值模拟磁重联驱动湍流与粒子加速，揭示了自驱动湍流稳态的能量分配、重联驱动湍流的复杂性及强磁场对加速效率的提升作用，为相关天体物理研究提供新视角。
2023-06-06 astro-ph.HE hep-th physics.plasm-ph
Studying the properties of reconnection-driven turbulence
School of Mathematics and Computational Sciences, Xiangtan University（湘潭大学数学与计算科学学院）；Department of Physics, Xiangtan University（湘潭大学物理学院）；Key Laboratory of Stars and Interstellar Medium, Xiangtan University（湘潭大学恒星与星际介质重点实验室）；Hunan Key Laboratory for Computation and Simulation in Science and Engineering（湖南省科学与工程计算重点实验室）；Hunan National Center for Applied Mathematics（湖南国家应用数学中心）
研究重联湍流的统计特性，发现其速度谱符合Kolmogorov模型，磁场谱更陡，且存在各向异性 cascade，与纯MHD湍流不同。
2025-10-11 astro-ph.HE physics.plasm-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
Analysis of fast turbulent reconnection with self-consistent determination of turbulence timescale
本文给出了用湍流模型模拟磁重联问题的结果。在该模型中，除了平均密度，动量，磁场和能量方程，湍流交叉螺旋度$W$，湍流能量$K$和它的耗散率$\varepsilon$的演化方程同时求解计算的磁重联率的哈里斯型电流片。与以往基于代数模型的研究相比，湍流时间尺度是由$K$和$\varepsilon$的非线性演化决定的，它们的比值是一个时间尺度。我们比较我们的平均场模型产生的重联率的电阻非湍流MHD率。为了测试是否产生不同的重联制度，我们改变了初始强度的湍流能量和研究的磁通量重联的时间。
2019-05-04 physics.plasm-ph
Inertial-Range Reconnection in Magnetohydrodynamic Turbulence and in the Solar Wind
关于太阳风的现场航天器数据显示，事件被确定为具有流出和明显的“$X$ -线”$10^{3-4}$倍离子尺度的磁重联。为了理解湍流在这些尺度上的作用，我们在磁流体动力学（MHD）模拟中对惯性范围重联事件进行了案例研究。我们观察到随机漂移的磁力线在空间中，标准的磁通量冻结由于理查森色散的故障，和一个扩大的重联区包含许多电流片。粗颗粒的磁几何形状类似于太阳风中的大尺度重联，然而，双曲线通量管或“$X$ -线”在积分长度尺度上延伸。
2015-03-02 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Role of magnetic reconnection in MHD turbulence
目前对MHD湍流的理解设想湍流涡旋在所有三个方向上都是各向异性的。在垂直于局部平均磁场的平面上，这意味着这种涡旋在小尺度上变成了电流片状结构。我们分析了磁重联在这些结构中的作用，并得出结论，重联成为重要的尺度$λ\sim L S_L^{-4/7}$，其中$S_L$是外尺度（$L$）伦德奎斯特数和$λ$是最小的场垂直涡尺寸。这个尺度大于由涡流的电阻性扩散所设定的尺度，因此意味着能量耗散的路线与由柯尔莫哥洛夫现象学所预测的路线从根本上不同。特别是，我们的分析预测存在的亚惯性，重联间隔的MHD湍流，傅立叶能量谱$E(k_\perp)\propto k_\perp^{-5/2}$，其中$k_\perp$是波数垂直于当地平均磁场。同样的计算也进行了高（垂直）磁普朗特数等离子体（$Pm$），其中的重联规模被发现是$λ/L\sim S_L^{-4/7}Pm^{-2/7}$。
2016-12-21 astro-ph.SR physics.plasm-ph 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
A transport-like approach to turbulence-mediated magnetic reconnection
针对自驱动湍流介导的磁重联，论文利用重联与湍流涨落的时间尺度分离及平均场的MHD尺度特性，提出类输运框架，为高效数值计算提供理论支撑。
2023-12-12 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Unstable magnetic reconnection self-generates turbulence
The University of Manchester（曼彻斯特大学）
本研究通过高分辨率模拟揭示了不稳定的磁重联如何自动生成湍流，并展示了湍流能量注入与非线性能量 cascade 的机制。
2026-02-24 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Statistics of Reconnection-Driven Turbulence
磁重联是高导电流体中改变磁场拓扑结构的过程。在标准的斯威特-帕克模型中，这个过程太慢，无法解释观测结果（例如太阳耀斑）。实际上，这一过程必然是普遍存在的，因为天体物理学中的流体是磁化的，流体元素的运动必然会引起磁场冻结线的交叉和磁重联。在湍流存在的情况下，重连与微观等离子体特性无关，并且可能比以前认为的要快得多，如Lazarian & Vishniac（1999）所提出的和Kowal等人（2009，2012）所测试的。然而，在Lazarian-Vishniac模型中考虑的湍流是外部强加的。在这项工作中，我们考虑重联驱动的磁化湍流在现实的三维几何随机噪声发起。我们通过数值模拟表明，随机重联是能够通过其流出之间的相互作用自生湍流。利用功率谱和各向异性标度分析了速度涨落的统计特性，结果表明重联产生了与Goldreich-Sridhar（1995）模型一致的Kolmogorov型湍流.然而，各向异性的统计，强烈影响的动态重联流出。一旦形成了宽湍流区，就形成了典型的各向异性标度$l_\parallel \propto l_\perp^{2/3}$，特别是对于高分辨率模式，因为有更宽的标度范围。重联流出的衰减到类似磁场的波动，其特征在于不同的各向异性标度，强烈依赖于$β$等离子体。此外，估计的重连率弱依赖于分辨率，这表明不需要外部过程来快速重连。
2017-02-06 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
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
Gyrofluid simulations of turbulence and reconnection in space plasmas
本文利用哈密顿双场陀螺流体模型研究空间等离子体从MHD尺度到电子趋肤深度的湍流与磁重联，揭示强非平衡级联、温度比影响及电子有限拉莫尔半径修正，并讨论四场推广模型。
2024-01-08 physics.plasm-ph physics.space-ph
Relation of Astrophysical Turbulence and Magnetic Reconnection
天体物理学中的流体一般都是湍流的，这一点在大多数输运过程中都必须加以考虑。讨论了湍流对磁重联的影响以及磁重联对MHD湍流级联的影响。我们显示了磁湍流和磁重联的内在的相互依赖和相互关系，特别是，在3D强磁湍流需要重联和3D磁湍流需要快速重联。我们遵循Eyink，Lazarian & Vishniac 2011中的方法，证明了如果用湍流的Richardson扩散代替普通的欧姆扩散，可以恢复Lazarian & Vishniac 1999中快速磁重联的表达式。然而，这并没有恢复磁湍流扩散的概念，该概念假设磁场可以以被动的方式混合到非常小的耗散尺度。相反，我们处理的重联动态重要的磁场束，强烈抵制弯曲，并有明确的平均方向弱扰动的湍流。我们认为，在湍流的存在下，磁通冻结的概念需要修改。由磁湍流引起的扩散可以称为重联扩散，因为它是基于磁场线的重联。重联扩散对磁化等离子体中的连续输运过程和恒星形成有重要意义。此外，湍流介质中的快速磁重联引起高能粒子的一阶费米加速，可以解释太阳耀斑和伽马射线暴。然而，这些发展的最戏剧性的后果是，标准的磁通冻结的概念，必须从根本上修改湍流的存在。
2011-11-30 astro-ph.GA astro-ph.SR 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
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
Study of reconnection-associated multi-scale fluctuations with Cluster and Double Star
本文的目的是评估特定的频谱标度特性的磁重联相关的波动/湍流在地球和尾部流出区的同时观察到的集群和双星（TC-2）航天器在2005年9月26日。由于在星团（X = -14--16 $R_e$）和TC-2（X = -6.6 $R_e$）位置之间发生了有据可查的重联事件，因此有可能对光谱特性进行系统比较，包括波矢量空间中的方差各向异性和尺度相关的光谱各向异性特征。另一个关键因素是航天器上的磁力计是相似的。的比较提供了进一步的证据，在向地/向尾重联流出区域的物理过程的不对称性。方差各向异性和频谱各向异性角估计的多尺度磁波动在尾部流出区域显示的功能是磁流体动力学级联湍流的存在下，当地的平均磁场的特性。向地流出区的多尺度磁起伏表现出更大的功率，缺乏方差和尺度依赖的各向异性，但也有较大的各向异性角。在该区域中，磁场更偶极，驱动湍流的主要过程是流动破碎/混合，可能与湍流老化和非级联相关的多尺度能量源相结合。
2008-06-11 physics.plasm-ph physics.space-ph
Small-scale local phenomena related to the magnetic reconnection and turbulence in the proximity of the heliopause
我们研究了与磁重联和等离子体湍流有关的过程，这些过程发生在日球顶（HP）和日球层电流片的存在下。结果表明，由磁重联引发的等离子体团相互作用可以提供内外日鞘之间的连接，并导致星际介质与受日球终端激波冲击的太阳风等离子体之间的粒子交换。磁重联也可能导致HP附近的等离子体密度和磁场压缩。我们认为，这些现象可能会被探测到的旅行者飞船接近和穿越HP。这些结果可以澄清最近提出的“磁高速公路”和“日鞘耗尽区”的概念，以解释最近的旅行者1号观测。
2013-10-29 astro-ph.SR physics.comp-ph 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
Achieving Fast Reconnection in Resistive MHD Models via Turbulent Means
天体物理流体一般是湍流的，在建立适用于天体物理、太阳或日球环境的磁重联模型时，必须考虑这种湍流的存在。此外，重联本身会引起湍流，这对重联过程提供了重要的反馈。本文讨论了在电阻MHD近似下，磁重联加速的理论模型和数值证据。我们认为Lazarian和Vishniac湍流重联理论和Lapenta的数值实验证明的自发发病的湍流重联系统，最初是层流之间的关系。
2011-10-01 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Instabilities and Turbulence in Low-$β$ Guide Field Reconnection Exhausts with Kinetic Riemann Simulations
在低$β$，引导场重联排气中的湍流的作用进行了探讨，在二维重联和二维和三维黎曼模拟。排气和相关湍流的结构由排气边界处的一对旋转不连续性（RD）和由逆流离子束产生的一对慢激波（SS）控制。在2D的排气开发大振幅条纹在离子拉莫尔半径尺度，由电子束驱动的离子回旋波。驱动不稳定性的电子束从其中一个RD注入排气中。然而，在3D黎曼模拟中，额外的维度（在面外方向上）导致RD处的强布尼曼和电子-电子流不稳定性，其抑制电子束形成并因此抑制排气中的条纹。RD处的流动不稳定性的强度由电子热速度与阿尔文速度的比率控制，较低的热速度更不稳定。在3D模拟中，离子-离子流不稳定性用于部分热化SS处的逆流离子束。这种不稳定性受声速与阿尔文速度之比的控制，预计在低$β$日冕中是稳定的。结果表明，在引导场重联排气与$1 \gg β> m_e/m_i$，发展的动力学尺度的湍流将是太弱，在能量转换和粒子加速中发挥重要作用。因此，能量转换将主要由层流物理或多x线重联控制。
2019-10-11 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
The impact of Alfvenic shear flow on magnetic reconnection and turbulence
本研究利用帕克太阳探测器数据，发现阿尔芬剪切流抑制磁重联触发，85%的重联事件发生在慢速非阿尔芬风中，并观察到重联时段磁场谱变陡，与湍流动力学相关。
2025-10-07 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Turbulent Plasmoid Reconnection
等离子体团不稳定性可能导致通过长电流片（CS）的快速磁重联。众所周知，大雷诺数的等离子体容易成为湍流。我们解决的问题是否湍流增强的等离子体团不稳定电流片的能量转换率。我们进行适当的数值MHD模拟，但同时解决相关的大尺度（平均）场和相应的小尺度，湍流，数量通过直接数值模拟（DNS）是不可能的。因此，我们利用亚网格尺度（SGS）湍流模型研究了小尺度湍流对大尺度MHD过程的影响。我们验证了我们的SGS模型的适用性，然后用它来研究湍流对等离子体团不稳定性的影响。我们开始与哈里斯型和无力CS平衡在垂直于重联平面的方向上的一个有限的引导场的存在下的模拟。我们使用DNS的结果来研究等离子体团不稳定性的增长。能量和交叉螺旋度由于湍流获得的平均场的高斯滤波公式从雷诺平均湍流模型。研究了湍流对等离子体团不稳定性重联率的影响。为了验证SGS模型的预测，电动势（${\bf\cal{E}}$）计算通过过滤获得的粗数据，并与SGS模型进行比较。相对于引导场方向的对称性破坏导致湍流螺旋度，这减小了表观湍流电阻率的影响。引导场等离子体团重联的重联率降低归因于与湍流相关的不同物理效应之间的平衡。
2016-05-02 physics.plasm-ph
Contribution of Magnetic Reconnection Events to Energy Dissipation in Magnetosheath Turbulence
通过对MMS磁鞘测量结果的分析，得到了电子尺度下磁重联（MR）事件对相干结构能量耗散贡献的统计结果。采用增量偏方差（PVI）方法在磁场数据中寻找相干结构。进一步选择了具有反转磁场分量的电流片结构。我们考虑以下标准来识别MR事件，如具有磁场反转的电流片、显著的能量耗散和明显的电子流出速度。从统计上看，对于大多数磁共振事件，其PVI值大于其他类型相干结构的PVI值，其能量耗散也比其他类型相干结构的强。然而，由于MR事件的相对小的比例，它们对相干结构的能量耗散的贡献相对微不足道。如果考虑非相干结构的耗散，MR事件对磁鞘能量耗散的贡献将较小，因此，MR事件虽然具有较强的局部耗散，但并不是磁鞘能量耗散的主要贡献者。在分析了非磁共振电流片的特征后，我们认为非磁共振电流片主要是动力学阿尔文涨落所固有的相干结构。
2020-10-28 physics.plasm-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
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
Disruption of sheetlike structures in Alfvénic turbulence by magnetic reconnection
我们提出了一种机制，即强烈的，片状结构自然形成的动态对齐Alfvénic湍流被破坏的磁重联的规模$\hatλ_{\rm D}$，大于耗散规模预测的间歇性，动态对齐的湍流模型。重连过程分几个阶段进行：首先，具有$N$磁性岛的线性撕裂模式生长并饱和，然后这些岛之间的$X$点塌陷成次级电流片，然后重新连接，直到原始结构被破坏。这有效地对垂直平面内的结构的各向异性施加了上限，这意味着在尺度$\hatλ_{\rm D}$下湍流动力学改变：在大于$\hatλ_{\rm D}$的尺度上，湍流表现出尺度依赖的动态排列和近似等于$-3/2$的谱指数，而在小于$\hatλ_{\rm D}$的尺度上，湍流结构由于重连而经历连续的破裂，限制动态对准、使有效谱指数变陡以及改变最终耗散尺度。与伦德奎斯特（磁雷诺）数$S_{L_\perp}$的$\hatλ_{\rm D}$的缩放取决于统计的顺序被认为是，并在特定的模型的不稳定性，在能量谱的两个制度之间的过渡预测约为$\hatλ_{\rm D} \sim S_{L_\perp}^{-0.6}$。低于$\hatλ_{\rm D}$的光谱指数介于$-5/3$和$-2.3$之间。最终耗散尺度为$\hatλ_{η,\infty}\sim S_{L_\perp}^{-3/4}$，与不涉及尺度相关动态校准的湍流理论中出现的柯尔莫哥洛夫尺度相同。
2017-07-26 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Self-generated turbulence in magnetic reconnection
经典的Sweet-Parker重联模型预测重联率与电阻率成反比，通常使用无量纲的Lundquist数（$\Lund$）进行参数化。我们描述的磁流体动力学（MHD）模拟使用静态的，嵌套的网格，显示了一个三维的不稳定性的发展在一个电流片的平面之间的反转场线没有一个引导场。不稳定性导致磁场线在至少由模拟解决的范围$3.2\times 10^3 \lesssim \Lund \lesssim 3.2 \times 10^5$上以与$\Lund$无关的速率快速重连。我们发现，这种不稳定性发生的情况下，甚至与$\Lund \lesssim 10^4$，在我们的模型中出现稳定的最近描述的，二维，等离子体团不稳定。我们的研究结果表明，三维，MHD过程单独产生快速（电阻率独立）重联没有诉诸动力学效应或外部湍流。不稳定的重联层提供了一个自洽的环境中，广泛研究的湍流重联过程可以发生。
2015-05-18 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Evidence of dual energy transfer driven by magnetic reconnection at sub-ion scales
针对亚离子尺度湍流能量转移机制，本文利用空间滤波技术分析高分辨率2D3V hybrid-Vlasov模拟，首次定量证实磁重联可触发向小尺度和大尺度的双重能量转移。
2024-08-05 physics.plasm-ph physics.space-ph
Complexity of magnetic-field turbulence at reconnection exhausts in the solar wind at 1 AU
磁重联是空间和天体物理等离子体中将磁能转化为粒子动能和等离子体热能的复杂机制。此外，磁重联和湍流似乎是密切相关的等离子体。我们分析了磁场湍流的排气中检测到的四个重联事件的太阳风使用詹森-香农复杂性熵指数。行星际磁场分解到LMN坐标使用混合最小方差技术。第一个事件的特点是延长排气期，使我们能够获得的标度指数的高阶结构函数的磁场波动。通过计算的复杂性熵指数，我们表明，更高程度的不确定性是相关的低熵和更高的复杂性在惯性子区。我们还计算了其他三个重联排气事件的复杂性熵指数。对于所有四个事件，磁场的$B_L$分量显示出比$B_M$和$B_N$分量更低程度的熵和更高程度的复杂性。我们的研究结果表明，相干结构可以负责减少熵和增加复杂性内的重联排气在磁场湍流。
2021-10-05 astro-ph.SR physics.plasm-ph
The role of guide field in magnetic reconnection driven by island coalescence
许多研究通过模拟长重联电流片来考虑大的弱碰撞系统中的磁重联率是如何缩放的。然而，这种设置忽略了电流片的形成以及扩散区域与提供磁通量的较大系统之间的耦合。最近的磁岛合并，其中自然包括这些功能的研究发现，离子动力学物理是至关重要的，以描述重联率和全球演变的系统。本文考虑了岛合并过程中导场对重联的影响。与早期的电流片研究相反，我们确定了一个有限的范围内的引导场的重联率，外流速度，堆积磁场的大小增加的引导场的增加。Hall-MHD流体模型被发现重现动力学重联率只有一个足够强的引导场，离子惯性打破冻结的条件和流出成为Alfvenic在动力学系统。合并的大岛发生在一个较长的时间尺度上的零引导场的限制，这可能是部分由于镜像不稳定性，发生在上游的重联区。
2016-11-18 physics.plasm-ph physics.space-ph
Analytical Model of Fast Magnetic Reconnection with a Large Guide Field
首次提出了大引导场下快速磁重联的解析理论。我们确认，两个不同的重联制度是可能的，这取决于扩散区厚度$δ$是大于或小于声音gyroradius $ρ_s$。对于$δ\gtrsim ρ_s$，重新连接是缓慢的或类似于Sweet-Parker的，否则是快速的。然而，在快速制度，我们发现，离子粘度$μ$起着关键作用。特别地，对于$δ< ρ_s$，扩散区厚度与$Ha^{-1}$成比例，其中$Ha \propto 1/\sqrt{ημ}$为哈特曼数，并且重连率与$Pr^{-1/2}$成比例，其中$Pr = μ/η$为普朗特数，并且$η$为电阻率。如果垂直离子粘度用于$μ$，则重连速率变得与等离子体$β$和碰撞频率无关，因此可能快。
2010-01-11 physics.plasm-ph physics.space-ph
