Gyrokinetic and kinetic particle-in

Gyrokinetic and kinetic particle-in-cell simulations of guide-field reconnection. Part I: macroscopic effects of the electron flows
P. A. Muñoz, D. Told, P. Kilian, J. Büchner, F. Jenko
(Submitted on 6 Apr 2015 (v1), last revised 11 Apr 2015 (this version, v2))

In this work, we compare gyrokinetic (GK) and fully kinetic Particle-in-Cell (PIC) simulations of magnetic reconnection in the limit of strong guide field. In particular, we analyze the limits of applicability of the GK plasma model compared to a fully kinetic description of force free current sheets for finite guide fields (bg). Here we report the first part of an extended comparison, focusing on the macroscopic effects of the electron flows. For a low beta plasma (beta_i=0.01), it is shown that both plasma models develop magnetic reconnection with similar features in the secondary magnetic islands if a sufficiently high guide field (bg>30) is imposed in the kinetic PIC simulations. Outside of these regions, in the separatrices close to the X points, the convergence between both plasma descriptions is less restrictive (bg>5). Kinetic PIC simulations using guide fields bg

Kết quả (Việt) 1:

Gyrokinetic and kinetic particle-in-cell simulations of guide-field reconnection. Part I: macroscopic effects of the electron flows
P. A. Muñoz, D. Told, P. Kilian, J. Büchner, F. Jenko
(Submitted on 6 Apr 2015 (v1), last revised 11 Apr 2015 (this version, v2))

In this work, we compare gyrokinetic (GK) and fully kinetic Particle-in-Cell (PIC) simulations of magnetic reconnection in the limit of strong guide field. In particular, we analyze the limits of applicability of the GK plasma model compared to a fully kinetic description of force free current sheets for finite guide fields (bg). Here we report the first part of an extended comparison, focusing on the macroscopic effects of the electron flows. For a low beta plasma (beta_i=0.01), it is shown that both plasma models develop magnetic reconnection with similar features in the secondary magnetic islands if a sufficiently high guide field (bg>30) is imposed in the kinetic PIC simulations. Outside of these regions, in the separatrices close to the X points, the convergence between both plasma descriptions is less restrictive (bg>5). Kinetic PIC simulations using guide fields bg<30 reveal secondary magnetic islands with a core magnetic field and less energetic flows inside of them in comparison to the GK or kinetic PIC runs with stronger guide fields. We find that these processes are mostly due to an initial shear flow absent in the GK initialization and negligible in the kinetic PIC high guide field regime, in addition to fast outflows on the order of the ion thermal speed that violate the GK ordering. Since secondary magnetic islands appear after the reconnection peak time, a kinetic PIC/GK comparison is more accurate in the linear phase of magnetic reconnection. For a high beta plasma (beta_i=1.0) where reconnection rates and fluctuations levels are reduced, similar processes happen in the secondary magnetic islands in the fully kinetic description, but requiring much lower guide fields (bg<3).

Kết quả (Việt) 2:

Gyrokinetic và động năng hạt-in-cell mô phỏng của trường hướng dẫn việc kết nối lại. Phần I: tác động vĩ mô của các electron chảy
P. A. Muñoz, D. Nói, P. Kilian, J. Büchner, F. Jenko
(Đăng vào ngày 06 Tháng Tư năm 2015 (v1), duyệt lần cuối ngày 11 Tháng tư 2015 (phiên bản này, v2)) Trong công trình này, chúng ta so sánh gyrokinetic (GK ) và hoàn toàn động Particle-in-Cell (PIC) mô phỏng tái kết nối từ trường trong giới hạn của lĩnh vực hướng dẫn mạnh mẽ. Đặc biệt, chúng tôi phân tích các giới hạn của khả năng ứng dụng của mô hình plasma GK so với một mô tả đầy đủ động lực của các tờ hiện hành miễn phí hiệu lực đối với các lĩnh vực hướng dẫn hữu hạn (bg). Dưới đây chúng tôi báo cáo phần đầu tiên của một so sánh mở rộng, tập trung vào các tác động vĩ mô của dòng electron. Đối với một plasma beta thấp (beta_i = 0.01), nó cho thấy rằng cả hai mô hình plasma phát triển tái kết nối từ với các tính năng tương tự như ở các đảo từ thứ nếu một khu vực hướng dẫn đầy đủ cao (bg> 30) được áp dụng trong mô phỏng động học PIC. Bên ngoài các khu vực này, trong separatrices gần các điểm X, sự hội tụ giữa hai thiệu plasma là ít hạn chế (bg> 5). Mô phỏng PIC Kinetic sử dụng hướng dẫn các trường bg <30 tiết lộ đảo từ trung học với một từ trường lõi và các dòng ít năng lượng bên trong của họ so với các GK hoặc động chạy PIC với các lĩnh vực dẫn mạnh hơn. Chúng tôi thấy rằng các quá trình này chủ yếu là do một dòng cắt ban đầu vắng mặt trong khởi GK và không đáng kể trong các lĩnh vực cao PIC dẫn chế độ động học, ngoài luồng nhanh về thứ tự của các ion tốc độ nhiệt vi phạm trật tự GK. Kể từ đảo từ thứ xuất hiện sau thời gian kết nối lại đỉnh cao, một động so PIC / GK là chính xác hơn trong các pha tuyến tính tái kết nối từ trường. Đối với một plasma beta cao (beta_i = 1,0), với tỷ lệ kết nối lại và dao động mức được giảm, quá trình tương tự xảy ra ở các đảo từ thứ cấp trong phần mô tả đầy đủ động lực, nhưng đòi hỏi các lĩnh vực dẫn thấp hơn nhiều (bg <3).