Plasma turbulence and kinetic instabilities at ion scales in the expanding solar wind
采用二维混合膨胀箱模拟方法研究了缓慢膨胀等离子体中强湍流衰减与动力学不稳定性之间的关系。我们施加一个垂直于模拟箱的初始环境磁场，我们从一个大尺度的、线性极化的、随机相位的阿尔夫文涨落的光谱开始，这些涨落在动能涨落和磁场涨落之间具有能量均分，并且两个场之间的相关性消失。湍流级联迅速发展，磁场起伏在大尺度下呈现出类似于Kolmogorov的幂律谱，在离子尺度下呈现出较陡的谱。湍流级联导致整体各向异性质子加热，质子在垂直方向上加热，并且最初也在平行方向上加热。强加的膨胀导致产生一个大的平行质子温度各向异性，这是在后期阶段部分减少湍流。湍流加热不足以克服膨胀驱动的垂直冷却，并且系统最终以局部非线性波包的形式驱动倾斜消防管不稳定性，这有效地降低了平行温度各向异性。这项工作表明，动力学不稳定性可能共存的强等离子体湍流，即使在一个约束的2-D制度。
2015-09-29 astro-ph.SR 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
Turbulence vs. fire hose instabilities: 3-D hybrid expanding box simulations
采用三维混合膨胀箱模拟方法研究了缓慢膨胀等离子体中衰减等离子体湍流与质子水龙带不稳定性之间的关系。我们施加一个初始的环境磁场沿径向方向，我们开始与大规模的，线性极化，随机相位Alfvenic波动与零交叉螺旋度的各向同性频谱。湍流级联迅速发展，导致弱质子加热，不足以克服膨胀驱动的垂直冷却。等离子体系统最终驱动产生准单色波包的平行和倾斜的消防水龙带不稳定性，减少质子温度各向异性。消防水龙带波活动具有低振幅，波矢量相对于由湍流级联主导的区域之外的环境磁场准平行/倾斜，并且仅在相对于环境磁场准平行/倾斜的方向上拍摄的一维功率谱中是可辨别的;在准垂直角度下，波活动被湍流背景隐藏。这些波部分被质子重吸收，部分耦合并参与湍流级联。它们的存在降低了峰度（一种测量不稳定性的方法）和香农熵，但增加了磁场波动的詹森-香农复杂性;这些变化相对于环境磁场是微弱的和各向异性的，目前还不清楚它们是否可以用来间接识别不稳定驱动波的存在。
2019-08-21 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
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
Solar Wind Turbulence and the Role of Ion Instabilities
太阳风可能是研究天体物理等离子体湍流的最佳实验室。除了磁场的存在外，与中性流体各向同性湍流的不同之处在于：碰撞耗散的弱和几个特征空间和时间尺度的存在。本文讨论了从磁流体到电子尺度的大范围内太阳风湍流的观测特性。在MHD尺度下，在惯性范围内，磁涨落的湍流级联主要在垂直于平均场的平面内发展。太阳风湍流本质上是可压缩的。速度涨落谱不服从磁场谱。不同等离子体参数的概率分布函数不是高斯分布，表明存在非线性。目前还没有考虑到惯性范围的所有这些观测特性的全球模型。在离子尺度下，湍流谱发生突变，可压缩性增强，密度涨落谱局部平坦。在离子尺度附近，磁谱是可变的，并且离子不稳定性作为局部等离子体参数的函数发生。在离子和电子尺度之间，似乎建立了一个小尺度的湍流级联。接近电子尺度，波动不再是自相似的：通常观察到指数截止，表明耗散的开始。小尺度级联的性质和可能的耗散机制仍在争论中。
2013-06-22 astro-ph.SR 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
Nonlinear Evolution of Ion Kinetic Instabilities in the Solar Wind
对0.29 ~ 1AU的太阳风等离子体的原位观测表明，质子和α粒子通常是非麦克斯韦的，并有动力学不稳定性、温度各向异性、微分离子流和相关的磁涨落谱的证据。SW多离子等离子体中的动力学不稳定性可以导致α粒子的优先加热和磁涨落能量的耗散，从而影响SW的动力学和全局性质。首次使用三维混合模型，其中使用粒子在细胞（PIC）方法将离子模拟为粒子，并将电子处理为流体，我们研究了SW的起始，离子动力学不稳定性的非线性演化和耗散。Alfven/离子回旋加速器和离子漂移不稳定性在靠近太阳的区域（~10R_s）进行了模拟。模型中考虑了太阳风膨胀。该模型产生自洽的非麦克斯韦速度分布函数（VDFs）的不稳定的离子布居，相关的温度各向异性，和几个典型的SW不稳定的情况下，在非线性增长和饱和阶段的不稳定性的波谱。多离子SW等离子体的3D混合建模可用于研究将由帕克太阳探测器任务探索的靠近太阳的SW加速区域。
2019-03-27 astro-ph.SR 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
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
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
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
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
Proton temperature anisotropy and magnetic reconnection in the solar wind: effects of kinetic instabilities on current sheet stability
我们通过二维混合模拟研究了质子各向异性驱动的动力学不稳定性对磁重联发生的作用。研究了在周围等离子体中存在质子温度各向异性时电流片的无碰撞撕裂。我们的结果证实，电流片区域内的各向异性质子可以显着增强/稳定电流的撕裂不稳定性。此外，大质子温度各向异性激发的线性不稳定性相关的波动可以显着影响等离子体的稳定性和扰动的电流片，触发撕裂不稳定性。我们发现，这样一个复杂的耦合导致更快的撕裂演化的制度，具有较大的垂直温度时，离子回旋不稳定性产生的各向异性质子分布函数。相反，在存在相反的各向异性的情况下，由具有较大平行温度的不稳定背景质子激发的消防水带波动不能有效地使电流片不稳定，电流片在消防水带饱和后长时间保持稳定。我们讨论了这种新的耦合对太阳风和日球等离子体动力学的可能影响。
2012-12-10 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
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
Beaming electromagnetic (or heat-flux) instabilities from the interplay with the electron temperature anisotropies
在空间等离子体动力学不稳定性是由带电粒子的聚束（漂移）分量和/或温度各向异性驱动的。热通量不稳定性在文献中被称为电磁模式不稳定的电子束（或strahls）对准行星际磁场。本文提出了一种新的动力学方法，以提供一个现实的表征温度各向异性的电子的影响下的热通量不稳定性。数值分析是基于两个电子逆流（核心和光束）人口与温度各向异性，和固定，各向同性质子的动力学弗拉索夫-麦克斯韦理论。发现电子束$A_b = T_\perp / T_\parallel \ne 1$的温度各向异性显著改变了电磁热流不稳定性的主要性质，导致对$A_b > 1$的哨声分支或对$A_b<1$的消防水管分支的刺激。对于高温各向异性哨声开关从热通量的标准制度，当他们的不稳定性被抑制的光束。
2018-07-13 astro-ph.SR 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
The initial conditions for planet formation: Turbulence driven by hydrodynamical instabilities in disks around young stars
这篇评论探讨了最近的理论发展，在我们的理解湍流冷，非磁活性，星子形成区域的原行星盘，我们称之为“欧姆区”。我们给一个简短的背景介绍，然后由一个简洁的教学回顾的现象学的流体动力学湍流的磁盘湍流的主题。给出了冷天体物理盘的动力学方程，描述了基本流态。我们讨论了Solberg-Hoiland稳定性所需的条件，以及最近发现的三种可能活跃在原行星盘欧姆区的湍流产生机制，即（i）垂直剪切不稳定性，（ii）对流过稳定性和（iii）僵尸涡不稳定性。我们总结了这些过程的性质，确定其局限性，并讨论在什么地方和条件下，这些过程是活跃的原行星盘欧姆区。
2018-11-24 astro-ph.EP 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
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
Modeling ion beams, kinetic instabilities, and waves observed by the Parker Solar Probe near perihelia
帕克太阳探测器（PSP）任务最近在近日点附近的内日光层的现场观测显示，离子束，温度各向异性和动力波活动的证据，这可能与动力加热和加速过程的太阳风。特别地，质子束被PSP/SPAN-I探测到，与离子尺度波相关的磁涨落谱被FIELDS仪器观测到。我们提出的离子速度分布函数（VDFs）从SPAN-I和2.5D和3D的质子和α粒子超阿尔文光束，驱动离子动力学不稳定性和波的太阳风太阳风的混合粒子在细胞（混合PIC）模型的结果。我们模拟了PSP近日点附近太阳风条件下离子VDFs随束流、离子相对漂移速度和离子温度各向异性的演化。我们计算的粒子（离子）之间的分配的能量沿和垂直于磁场，以及磁能的演变，并比较观测推导的值。结果表明，近日点附近太阳风等离子体中离子束驱动的动力学不稳定性是能量从流体到动力学尺度级联的重要组成部分，是太阳风等离子体加热过程的重要组成部分。
2021-12-04 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
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
Common Origin of Kinetic Scale Turbulence and the Electron Halo in the Solar Wind -- Connection to Nanoflares
本文总结了近年来我们在电子速度分布函数中对太阳风动力学尺度湍流和电子晕起源的研究。越来越多的纳米耀斑和微观III型射电暴的观测强烈表明，纳米耀斑和加速电子束在日冕中很常见。基于Particle-in-Cell模拟，我们发现在太阳风中观测到的核晕特征和动力学尺度湍流都是由纳米耀斑加速电子束驱动的电子双流不稳定性的非线性演化产生的。波和粒子之间的能量交换在内日冕中达到平衡，并且当太阳风沿着开放的磁场线逃逸到行星际空间时，湍流和速度分布的关键特征得以保留。观测测试的模型和未来的理论工作进行了讨论。
2016-03-02 astro-ph.SR physics.space-ph
Linking Fluid and Kinetic Scales in Solar Wind Turbulence
我们调查之间的大尺度和小尺度的太阳风波动的频率突破分离流体和动力学制度的功能可能存在的联系。其目的是关联的磁场波动极化在耗散尺度与特定状态的湍流内的惯性范围内的波动。我们发现，在惯性范围内的动力学制度和流体参数的每种类型的极化之间的明确的相关性。此外，第一次在文献中，我们表明，左手和右手的极化波动占据不同领域的等离子体不稳定性的温度各向异性图，如预期的Alfv $\acute{\textrm{e}}$ n离子回旋加速器和动力学Alfv $\acute{\textrm{e}}$ n波，分别。
2016-12-25 astro-ph.SR physics.space-ph
A Weakened Cascade Model for Turbulence in Astrophysical Plasmas
本文提出了一个精细的弱碰撞天体物理等离子体动力学湍流级联模型，它既考虑了弱湍流和强湍流之间的转换，又考虑了非局域相互作用对能量非线性传递的影响。该模型描述了弱和强MHD湍流之间的过渡和从强动力学Alfven波（KAW）湍流到弱耗散KAW湍流的互补过渡，这是一种新的弱湍流状态，其中大尺度运动剪切效应和动力学耗散起着重要作用。在耗散范围内的非线性能量级联率的非局部运动的影响，特别是剪切大尺度运动，建议列入解释近幂律能量谱的动力学数值模拟和太阳风观测的耗散范围内观察到的。
2011-09-19 astro-ph.SR physics.plasm-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
Anisotropy of Solar-Wind Turbulence in the Inner Heliosphere at Kinetic Scales: PSP Observations
太阳风湍流的各向异性是理解日球层尺度间能量传递和场与粒子间能量转换物理的关键问题。使用\emph{Parker Solar Probe}（\emph{PSP}）的测量，我们提出了一个观察的各向异性在动力学尺度上的缓慢，Alfvénic，太阳风的内日球层。\textbf{The magnetic compressibility behaves as expected for kinetic Alfvénic turbulence below the ion scale.}一个陡峭的过渡范围之间的惯性和动力学范围内的所有方向相对于当地的背景磁场方向。发现$k_\perp \gg k_\parallel$的各向异性在过渡区和动力学区都很明显，动力学区的幂次各向异性$P_\perp/P_\parallel > 10$大于过渡区的幂次各向异性，且比1 au的幂次各向异性强.光谱指数在过渡范围内从$α_{t\parallel}=-5.7\pm 1.0$到$α_{t\perp}=-3.7\pm 0.3$变化，在动力学范围内从$α_{k\parallel}=-3.12\pm 0.22$到$α_{k\perp}=-2.57\pm 0.09$变化。相应的波矢各向异性在过渡范围内具有$k_\parallel \sim k_\perp^{0.71\pm 0.17}$的标度，并且在动力学范围内变为$k_\p…
2021-05-15 astro-ph.SR physics.space-ph
Kinetic turbulence in space plasmas observed in the near-Earth and near-Sun solar wind
当强迫尺度远大于耗散尺度时，湍流在任何应力流中发展。在中性流体中，它由物理空间中的混沌运动组成，但在傅立叶空间中具有普适的能谱。间歇性（波动的非高斯统计）是另一个一般性质，它与相干结构的存在有关。空间等离子体也是湍流的。在这里，我们专注于动力学等离子体尺度，这还没有得到很好的理解。我们解决了以下基本问题：（1）在动力学尺度上的湍流涨落是否形成一个普适谱？（2）波动的性质是什么？利用对太阳风的测量，我们发现在距太阳0.3，0.6和0.9天文单位处的动力学湍流磁谱与距地球轨道1天文单位处的动力学湍流磁谱具有相同的形状，表明了这种现象的普遍性。形成该光谱的波动通常是倾向于产生磁丝的非线性相互作用的涡流。
2020-04-02 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Collisionless Reconnection in Magnetohydrodynamic and Kinetic Turbulence
最近有人提出（Loureiro & Boldyrev 2017; Mallet et et al. 2017），磁流体动力学（MHD）湍流中的惯性间隔在小尺度下不是由类似Kolmogorov的耗散区域终止，而是由撕裂不稳定性介导的新的亚惯性间隔终止。然而，许多天体物理等离子体几乎是无碰撞的，因此MHD近似不适用于小尺度的湍流。在这封信中，我们提出了扩展的理论的重联介导的湍流等离子体是如此弱的碰撞，发生在湍流涡旋的重联是由电子惯性，而不是电阻率。我们发现，重连介导的湍流的过渡尺度取决于等离子体β和等离子体湍流模型的假设。然而，在分析的所有情况下，在重新连接介导的间隔中的能谱范围从$E(k)dk\propto k^{-8/3}dk$到$E(k)dk\propto k^{-3}dk$。
2017-07-19 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Turbulent drag reduction in magnetohydrodynamic and quasi-static magnetohydrodynamic turbulence
在流体动力学湍流中，大尺度注入的动能级联到惯性范围，导致恒定的动能通量。相反，在磁流体动力学（MHD）湍流中，一部分动能被转移到磁能。因此，对于相同的动能注入率，MHD湍流中的动能通量与其流体动力学对应物相比减小。这导致非线性项（$\la | ({\bf u}\cdot \nabla) {\bf u} | \ra$，其中${\bf u}$是速度场）和湍流阻力相对减弱，但MHD湍流中的速度场增强。我们使用流体动力学和MHD湍流的壳模型模拟来验证上述。准静态MHD湍流也表现出类似于MHD湍流的湍流阻力减小。
2020-04-13 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.geo-ph
Supernovae drive large-scale, incompressible turbulence through small-scale instabilities
Canadian Institute for Theoretical Astrophysics, University of Toronto（多伦多大学加拿大理论天体物理研究所）
本文研究超新星残骸通过不稳定性生成不可压缩湍流，揭示了湍流谱与小尺度结构的关系，提出逆级联机制连接小尺度与大尺度湍流。
2026-04-29 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
Thermohaline instabilities inside stars: a synthetic study including external turbulence and radiative levitation
通过求解Boussinesq方程，在线性近似下，得到了一个新的恒星热盐混合系数的表达式，其中包括辐射悬浮和外部湍流的影响。众所周知，单个元素的辐射悬浮可以导致它们在特定的恒星层中积累。在某些情况下，它可以对恒星结构产生重要影响。在这里，我们证实，这种积累是温和的温盐对流由于所得的逆$μ$ -梯度。我们推导出的新系数表明，辐射加速度对热盐不稳定性本身的影响很小。然而，在所有计算中必须检查这种影响。我们还证实，大的水平湍流的存在可以减少甚至抑制温盐对流。这些结果是重要的，因为它们涉及到恒星中重元素积累的所有情况。辐射扩散的计算必须重新考虑，包括温盐对流及其后果。这可能是观察到的丰度总是小于纯原子扩散预测的基本原因之一。在任何情况下，这些过程都必须与旋转诱导的混合竞争，但由于它们的相互作用，这种竞争比以前认为的更复杂。
2012-05-07 astro-ph.SR
Kinetic Turbulence in Collisionless High-Beta Plasmas
我们提出的结果从三维混合动力学模拟Alfvénic湍流在高β，无碰撞等离子体。这种湍流的关键特征是局部波-波之间的相互作用在级联中的波动和非局部波-粒子之间的相互作用与动力学微不稳定性驱动的各向异性的热压（即，消防水管，镜子，和离子回旋）之间的相互作用。我们提出的理论估计，并直接从模拟计算，有效的碰撞性和等离子体粘度的压力各向异性高β湍流，表明，对于强Alfvénic湍流，有效的平行粘性规模是可比的级联的驱动规模。在此尺度下，动能谱表明，由于各向异性粘性应力，Alfvénic叶栅的斜率比$-5/3$更陡。由于水龙带不稳定性产生的波动，磁能谱在离子拉莫尔标度附近比$-5/3$浅。大部分级联能量（80-90%）通过朗道阻尼和各向异性粘性加热的组合作为离子加热耗散。我们的研究结果对低光度吸积到超大质量黑洞的粒子加热模型，团内介质的有效粘度，以及近地太阳风观测的解释都有影响。
2023-03-02 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Numerical Study on Excitation of Turbulence and Oscillation in Above-the-loop-top Region of a Solar Flare
极紫外成像光谱观测经常显示在太阳耀斑的环顶或环顶之上（ALT）区域周围线宽的增加，暗示着湍流。此外，最近的光谱观测发现，在ALT区域附近的多普勒速度振荡。我们进行了三维磁流体动力学（MHD）模拟，以调查在ALT区域的动态，特别关注湍流的产生和振荡运动的激发。我们发现在ALT区的上部（磁音叉的臂），MHD不稳定性迅速增长。在重联电流片下方的密度界面处，不稳定性的增长速度比磁瑞利-泰勒型不稳定性快。最终，ALT区域充满了湍流。磁音叉的臂具有不良曲率和跨音速流动。因此，我们认为快速增长的不稳定性是压力驱动和离心驱动的瑞利-泰勒型不稳定性的组合。尽管存在湍流，ALT区域显示出由重联射流的回流驱动的相干振荡。我们通过重新分析Reeves等人2020年提出的太阳耀斑来检查数值结果。我们发现，最高的非热速度总是在ALT区域的最高可见边缘，那里存在振荡。这一结果与我们的模型是一致的。我们还认为，湍流磁场有一个显着的非热电子的限制在ALT区域的影响。
2022-12-12 astro-ph.SR
Preparing for an Explosion: Hydrodynamic Instabilities and Turbulence in Presupernovae
观测和直接的数值模拟都与传统的恒星演化代码对大质量恒星在核心坍缩之前的最后阶段的预测不一致。我们认为，问题在于在这些代码中的湍流对流的治疗，忽略了有限振幅波动的速度和温度，以及它们的非线性相互作用与核燃烧。可能出现的流体动力学不稳定性促使我们讨论一些对大质量恒星命运的深远影响。特别是，我们探索连接到增强的前超新星质量损失，不稳定的核燃烧和随之而来的爆发，膨胀的恒星半径，可能会引发激烈的相互作用与伴星，和潜在的修改核心结构，可能会显着影响计算的核心崩溃机制本身。这些修改可能是至关重要的陨石中测量的同位素异常的解释，改变混合和详细的核合成的预测，年轻的核心坍塌超新星遗迹。它们还可能使开发一种早期预警系统成为可能，以探测即将发生的堆芯坍塌。
2014-02-05 astro-ph.HE astro-ph.SR
Kinetic helicity decay in linearly forced turbulence
动力学螺旋度的衰减研究强迫湍流的数值模型中使用外部强加的强迫函数作为方程中的非齐次项，或者，作为替代，一个长期的线性速度引起的线性不稳定。外部强加的强迫功能注入能量在最大的尺度上，产生一个湍流的惯性范围，几乎恒定的能量通量，而线性强迫湍流的谱能量是最大的耗散波数附近。动力学螺旋度注入一次达到统计稳定状态，但它被发现衰减的湍流时间尺度上的强迫的性质和雷诺数的值无关。
2012-04-06 astro-ph.SR nlin.CD physics.ao-ph
Solar flares and Kelvin-Helmholtz instabilities: A parameter survey
硬X射线（HXR）源经常在太阳耀斑环的顶部附近观测到，其发射被广泛地归因于韧致辐射。我们在这里重新审视另一种情况，强调逆康普顿过程和方等人提出的开尔文-亥姆霍兹不稳定性（KHI）的重要性。（2016）。这种情况下，增加了一个新的成分，标准耀斑模型，蒸发流从耀斑影响色球足点相互作用的环顶部附近，并通过KHI产生湍流。湍流可以充当捕获区域和有效的加速器以提供高能电子，其通过逆康普顿机制将软X射线（SXR）光子散射成HXR光子。本文重点讨论了在这种新的情况下，KHI的触发和由此产生的湍流。我们进行了参数调查，以调查必要的成分，以获得通过相互作用的色球蒸发流的KHI。当在环顶点产生湍流时，在速度和磁场起伏谱中可以发现一个指数为-5/3。KHI的发展和湍流的产生受控于色球足点的能量沉积量及其能量沉积的时间尺度，但M级耀斑的典型值通常显示KHI的发展。能量沉积的不对称性决定了湍流产生的位置，合成的SXR光变曲线显示出与KHI产生的涡流模式的晃动运动相关的明确的周期性信号。
2018-09-07 astro-ph.SR
Decoupling of the Kinetic and Magnetic Energy Cascades in MHD Turbulence
在理想的不可压缩MHD中，磁能和动能不是整体不变量，因此，只讨论它们的总和，即总能量的级联是合理的。我们提供了一个物理参数的基础上的规模本地化的级联，以及令人信服的证据表明，在高雷诺数，磁和动能预算统计解耦超出过渡“转换”范围。这是因为磁场线拉伸是一个大尺度过程，在惯性感应范围内的中等和小尺度上平均消失，从而允许平均动能和磁能中的每一个保守地以相等的速率级联。一个结果是，湍流磁普朗特数是统一的“解耦范围”的尺度。
2019-02-24 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.flu-dyn
Limitations of Hall MHD as a model for turbulence in weakly collisional plasmas
霍尔MHD作为弱碰撞等离子体中的湍流模型的局限性进行了探讨，在很宽的参数空间范围内使用Vlasov-Maxwell动力学理论的定量比较。结果表明，霍尔磁流体力学在冷离子极限下是有效的，但当离子温度有限时，霍尔磁流体力学存在寄生的无阻尼波模。有人认为，在太阳风的耗散范围内的湍流必须是一个，或混合物，三个电磁波模式：平行哨声，斜哨声，或动力阿尔芬波。霍尔磁流体动力学通常很好地描述了这些模式。确定线性动力学阻尼率在湍流等离子体中的适用性需要一套流体和动力学非线性数值模拟。对比流体和动力学模拟也将阐明是否存在虚假波模式改变了湍流中固有的非线性耦合，并将照亮湍流动力学和能量转移的制度的特征离子动力学尺度。
2009-03-24 astro-ph.SR
Compressible Turbulence: The Cascade and its Locality
我们证明了可压缩湍流中尺度间的动能传递是由局部相互作用决定的。特别是，我们的研究结果排除了动能从大尺度直接转移到耗散尺度，如进入冲击，在高雷诺数湍流是普遍认为。我们对结构函数标度的假设是弱的，并享有令人信服的经验支持。在一个更强的假设下，压力膨胀共谱，我们表明，平均动能和内能预算统计解耦超出过渡“转换”范围。我们的分析建立了一个随后的惯性范围内，平均SGS动能通量成为常数，独立的规模的存在。在这个惯性范围内，平均动能局部地以保守的方式级联，尽管不是不变量。
2011-01-03 astro-ph.SR physics.flu-dyn
The conservative cascade of kinetic energy in compressible turbulence
可压缩湍流的物理性质在各种天体物理环境中具有根本的重要性。我们提出了第一个直接的证据，即动能级联保守地超出了过渡“转换”尺度范围，尽管不是一个不变的可压缩流动力学。我们使用$512^3$和$1024^3$网格上的可压缩流体动力学湍流的高分辨率三维模拟。我们探测强制稳态等温流动和非强制衰减理想气体流动的制度。我们测量的关键量是压力膨胀共谱，$E^{PD}(k)$，我们提供的第一个数值证据表明，它的衰减速度快于$k^{-1}$作为波数的函数。这足以表明，平均压力膨胀主要在大尺度上起作用，动能和内能预算在过渡尺度范围之外在统计上解耦。我们的研究结果表明，Kolmogorov的惯性范围理论的可压缩湍流的扩展是可能的。
2011-08-22 astro-ph.SR nlin.CD physics.flu-dyn
Horizontal shear instabilities at low Prandtl number
在大多数恒星演化模型中，恒星辐射区的湍流混合通常要么被忽略，要么被粗略地解释。然而，越来越多的理论和观测证据表明，这种混合是存在的，并且可以影响恒星生命的各个方面。在这项工作中，我们提出了第一次尝试量化混合水平剪切不稳定性的恒星使用直接数值模拟。剪切力由体积力驱动，并迅速变得不稳定。在饱和时，我们发现存在几种不同的动力学机制，这取决于分层和热扩散的相对重要性（原则上粘度也很重要，但在大多数恒星应用中通常可以忽略不计）。在每个确定的制度，我们提出了一定数量的理论激励的标度律的湍流垂直涡尺度，典型的湍流扩散系数，和典型的温度波动幅度（等量）。根据我们的研究结果，我们预测大多数恒星应该属于两类之一：高Péclet数分层湍流和低Péclet数分层湍流。后者在Cope et al.（2020）的相关论文中详细介绍，而前者在这里讨论。将我们的结果应用于最著名的恒星剪切层，即太阳速度跃层，我们发现它应该处于高佩克莱数分层湍流状态，并预测温度、动量和成分的大量垂直混合。照这样看来，新的湍流模型预测与Spiegel & Zahn（1992）的太阳速跃层模型是不相容的。然而，我们也表明，旋转和磁场可能会影响湍流，需要考虑在未来的研究。
2020-06-12 astro-ph.SR physics.flu-dyn
