مقاله پژوهشی: بررسی دینامیک شکل‌گیری و رشد جزایر مغناطیسی در پلاسمای خورشیدی با استفاده از شبیه‌سازی ذره در سلول

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکترا، گروه های آموزشی فیزیک و فنآوری پلاسما، دانشکده فیزیک، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

2 دانشیار، گروه های آموزشی فیزیک و فنآوری پلاسما، دانشکده فیزیک، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

چکیده

با استفاده از شبیه­سازی دو بعدی ذره در سلول، ناپایداری پلاسموئیدی  بدون برخورد، دینامیک  شکل­گیری و رشد جزایر مغناطیسی  بررسی شد. در فرایند بازاتصالی مغناطیسی، لایه جریان الکتریکی تغییر شکل غیرخطی داشت که این آشفتگی خود را به صورت قطع درلایه جریان الکتریکی نشان داد، این پدیده باعث ایجاد جزایر مغناطیسی یا پلاسموئیدها در دو طرف نقطه قطع یا نقطه  شد. پلاسموئیدها یا جزایر مغناطیسی ساختارهایی با چگالی جرمی بالا هستند که از جریان خروجی پلاسما در بازاتصالی مغناطیسی ایجاد می­شوند. در این پژوهش، ویژگی­های متفاوت ناپایداری پلاسموئیدی از قبیل دما، بردار میدان الکتریکی و مراحل مختلف رشد با استفاده از شبیه­سازی ذره در سلول مورد بررسی قرار گرفت واثر میدان هدایت ثابت روی لایه جریان الکتریکی در تغییر شکل ظاهری و سرعت آمیختن پلاسموئیدها بررسی شد. نتایج نشان می­دهد که وجود میدان هدایت ثابت سبب کاهش تعداد بازاتصالی مغناطیسی و نیز کاهش روند به هم پیوستن پلاسموئیدها شده است. نسبت بین میدان هدایت و میدان مغناطیسی اولیه، تعیین کننده تعداد بازاتصالی مغناطیسی است. به صورتی که  تعداد نقاط  را به سه کاهش داده و همچنین افزایش میدان هدایت به گونه­ای که برابر با میدان مغناطیسی اولیه شود ()،  مانع ایجاد ناپایداری پلاسموئیدی شد و سامانه را در حالت بازاتصالی مغناطیس ساده باقی نگه داشت.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Research Paper: Investigation of Formation and Growth Dynamics of Magnetic Islands in Solar Plasma by Particle-in-cell Simulation

نویسندگان [English]

  • Mahdi Shahraki pour 1
  • Mahboub Hosseinpour 2
1 PhD Student, Department of Plasma Physics and Technology, Faculty of Physics, University of Tabriz, Tabriz, Iran
2 Associate Professor, Department of Plasma Physics and Technology, Faculty of Physics, University of Tabriz, Tabriz, Iran
چکیده [English]

Using a two-dimensional particle-in-cell simulation of collision-less plasmoid instability, dynamics of formation and growth of magnetic islands are investigated. In the extended nonlinear magnetic reconnection process, the electric current layer undergoes a nonlinear deformation. This perturbation shows itself in the form of a cut in the electrical current layer, which is called a point. This phenomenon creates magnetic islands or plasmoids on either side of the point. Plasmoids are structures with a high mass density that are formed from the output flow of the plasma. In this study, different properties of plasmoid instability such as temperature, electric field vector, and stages of formation and growth are investigated by particle-in-cell simulation. The effect of a constant perpendicular magnetic field (guide field) on the apparent deformation of the electric current sheet and the coalescence rate of the plasmoid is investigated. The presence of a constant guide field reduces the number of magnetic reconnections and also reduces the process rate of plasmoid coalescence. The ratio between the conduction field and the initial magnetic field determines the number of magnetic reconnections. So that reduces the number of  points to three and increases guide field up to  prevent the formation of plasmoid instability and keeps the system in the magnetic reconnection state.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Magnetic reconnection
  • plasmoid instability
  • Particle in cell simulation
[1] Yamada M., Kulsrud R, and Ji H., “Magnetic reconnection”, Reviews of modern physics, 82, 603, (2010).
[2] Zweibel1 E.G and Yamada M., “Magnetic Reconnection in Astrophysical and Laboratory Plasma”, Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 4, 291-332, (2009).
[3] Fan F., Huang C., “The structures of magnetic islands formed during collisionless magnetic reconnections in a force-free current sheet”, Physics of plasmas, 23. 106-112. (2016).
[4] Yamada M., Yoo J., “Conversion of magnetic energy in the magnetic reconnection layer of a laboratory plasma”, Nature communication, 5, 4774. (2014).
[5] Cargill P.J., Vlahos L., Baumann G., Drake J.F., Nordlund A., “Current Fragmentation and Particle Acceleration in Solar Flares”, Space Sci Rev,173,223–245. (2012).
 [6] Loureiro N. F. SchekochihinA. A. Cowley S. C., “Instability of current sheets and formation of plasmoid chains”, Phys. Plasmas, 14,100703. (2007). 
[7] Cassak P.A., Shay M.A., “Magnetic Reconnection for Coronal Conditions: Reconnection Rates, Secondary Islands and Onset”, Space Science Reviews, 172. 283-302, (2011).
 [8] Lorenzo S., Dimitrios G. and Maria P., “Plasmoids in relativistic reconnection, from birth to adulthood: first they grow, then they go”, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 462.48-74, (2016).
 [9] Drake J. F., wisdak M. S K., Schoeffler M., Rogers B. N. and Kobayashi S., “Formation of secondary islands during magnetic reconnection”, Geophysical research letters, 33. L13105. (2006).
[10] Fu S. Huang Sh. Zhou M. Ni B and Deng X., “Tripolar electric field Structure in guide field magnetic reconnection”, Ann. Geophys., 36, 373–379, (2018).
[11] Lu S., Angelopoulos V., Artemyev A. V., Pritchett P. L., Sun W. J.  and   Slavin J. A., “Particle-in-cell Simulations of Secondary Magnetic Islands, Ion-scale Flux Ropes and, Plasmoids”, The Astrophysical Journal, 900,145, (2020).
[12] Markidis S., Henri P., Lapenta G., Divin1 A., Goldman M. V., Newman D. and Eriksson S., “Collisionless magnetic reconnection in a plasmoid chain”, Nonliner Processes Geophys, 19, (145–153), (2012).
[13] Kumar P., Karpen J. T., Antiochos S. k., Wyper P. F. and devore C. r., “First detection of Plasmoids from Breakout Reconnection on the Sun”, astro-ph.SR, 885, L15, (2019).
[14] Loureiro N. F., Schekochihin, A. A., Cowley, S. C. “Instability of current sheets and formation of plasmoid chains”, Phys. Plasmas, 14,100703. (2007).
[15] Lotf H., Hosseinpour M., “Parametric Study of Resistive Plasmoid Instability”, Frontiers in Astronomy and Space Sciences.8,176. (2021)
 [16] Dieckmann M. E., “The particle-in-cell simulation method: Concept and limitations”, Institut fuer Theoretische Physik IV, Ruhr-Universitaet, Bochum, Germany, (2007)
[17] Wilson F., Neukirch T., Hesse M., Harrison M. G. and Stark C. R., “Particle-in-Cell Simulations of Collisionless Magnetic Reconnection with a Non-Uniform Guide Field”, Phys. Plasmas, 23, 032302, (2016)