剪切无碰撞等离子体中由压力各向异性驱动的微湍流与磁场演化

本文研究了当外加线性剪切放大或减弱均匀磁场、从而驱动压力各向异性并引发 firehose/mirror 不稳定性时，高 beta 无碰撞等离子体的非线性状态。在剪切于一个剪切时间后被关闭或反转（以模拟宏观流动的局部行为）的情况下，本文考虑了所导致的微尺度湍流的演化，此时一个新的宏观尺度位形叠加在先前位形遗留的微尺度状态之上。存在一个等离子体 beta 阈值：当 $\beta\ll\Omega/S$（离子回旋频率/剪切率）时，由剪切驱动不稳定的 firehose/mirror 扰动的出现及其在剪切被移除/反转时的消失，相比于剪切时间是准瞬时的，即这些扰动的衰减时间为 $\sim\beta/\Omega \ll 1/S$（该结果源于扰动的自由衰减受到与其增长相同的边缘稳定性阈值的约束）。相反，当 $\beta\gtrsim\Omega/S$（“超高”beta）时，旧的微尺度状态只能在剪切时间尺度上被移除。在此机制下，驱动的 firehose 扰动长期增长至单位量级振幅，补偿了平均场的衰减，从而将压力各向异性钉扎在边缘稳定性处且没有明显的粒子散射——这与中等 $\beta$ 时发生的情况不同。当剪切反转时，这种 firehose 湍流的剪切耗散补偿了平均场的增加，从而阻止了压力各向异性的增长，使系统不会进入 mirror 不稳定状态。因此，在超高 beta 下，系统保持接近 firehose 阈值，mirror 不稳定性在很大程度上被抑制，而平均磁能几乎不发生变化。本文讨论了其对等离子体发电机效应及宇宙磁性起源的启示。