[论文解读] Model of Reconnection of Weakly Stochastic Magnetic Field and its Implications

A. Lazarian, Ethan T. Vishniac|ArXiv.org|Dec 11, 2008

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 2被引用 11

一句话总结

本文提出了一种弱随机磁场中快速磁重连的模型，其中湍流引起的磁力线随机性使得在无需依赖无碰撞等离子体效应的情况下，重连可达到阿尔芬速度。关键贡献在于重连效率由磁场随机性的程度决定，从而在星际介质和吸积盘等典型的天体物理环境中实现快速重连。

ABSTRACT

We discuss the model of magnetic field reconnection in the presence of turbulence introduced by us approximately ten years ago. The model does not require any plasma effects to be involved in order to make the reconnection fast. In fact, it shows that the degree of magnetic field stochasticity controls the reconnection. The turbulence in the model is assumed to be subAlfvenic, with the magnetic field only slightly perturbed. This ensures that the reconnection happens in generic astrophysical environments and the model does not appeal to any unphysical concepts, similar to the turbulent magnetic diffusivity concept, which is employed in the kinematic magnetic dynamo. The interest to that model has recently increased due to successful numerical testings of the model predictions. In view of this, we discuss implications of the model, including the first-order Fermi acceleration of cosmic rays, that the model naturally entails, bursts of reconnection, that can be associated with Solar flares, as well as, removal of magnetic flux during star-formation.

研究动机与目标

• 为解决高电导率天体物理等离子体中标准Sweet-Parker重连过慢的长期难题。
• 证明由亚阿尔芬湍流引起的磁力线随机性可实现快速重连，而无需依赖无碰撞等离子体效应。
• 为碰撞性环境（如星际介质、恒星和吸积盘）提供一个物理解释一致的快速重连框架。
• 通过基于随机重连的统一机制解释太阳耀斑、宇宙射线加速和磁 dynamo 作用等天体现象。
• 通过数值模拟验证模型，并展示其在能量耗散、粒子加速和磁场扩散方面的意义。

提出的方法

• 该模型通过引入由亚阿尔芬湍流引起的弱随机性，扩展了Sweet-Parker重连框架。
• 假设磁力线仅受到轻微扰动，随机性源于与重连层厚度相当尺度的湍流涡旋。
• 重连速率由湍流扩散与阿尔芬流出速度之间的平衡决定，关键参数为湍流扩散与电阻率扩散之比。
• 采用GS95（Goldreich-Sridhar）标度描述MHD湍流的各向异性磁扰动结构及其在实现快速重连中的作用。
• 推导出重连速率与阿尔芬速度成正比，除以劳德斯坎德数的对数，但有效电阻率由由于磁力线随机漂移引起的湍流扩散所取代。
• 模型预测电子加热效率受限于重连涡旋的尺度，效率按 (V_A l / η)^{-2/5} (v_l / v_A)^{8/5} (l / L_x)^{4/5} 缩放，表明加热不均匀且占主导地位较小。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不引入无碰撞效应的情况下，碰撞性天体物理等离子体中能否发生快速磁重连？
• RQ2 由亚阿尔芬湍流引起的弱磁随机性如何影响重连速率和能量耗散？
• RQ3 随机重连对宇宙射线的一阶费米加速有何影响？
• RQ4 湍流重连如何影响磁 dynamo 作用和星系磁场的演化？
• RQ5 随机重连在多大程度上可防止未解析磁结的形成，从而避免抑制MHD湍流中的能量级联？

主要发现

• 该模型表明，由于磁场结构的弱随机性，重连可在碰撞性环境中以阿尔芬速度进行，而无需依赖无碰撞等离子体效应。
• 数值模拟证实了该模型的预测，支持其作为天体物理背景下快速重连机制的可行性。
• 重连速率按 V_A / ln R_L 缩放，但有效电阻率由由于磁力线漂移引起的湍流扩散所取代，从而在高劳德斯坎德数下仍能实现快速重连。
• 电子加热效率受限于 ε_e ≲ (V_A l / η)^{-2/5} (v_l / v_A)^{8/5} (l / L_x)^{4/5}，表明仅一小部分磁能转化为电子热能。
• 该模型自然解释了与太阳耀斑相关的重连爆发以及由于随机重连事件导致的宇宙射线高效一阶费米加速。
• 随机重连可防止未解析磁结的积累，支持GS95能量级联，并维持天体物理等离子体中MHD湍流理论的有效性。