外部磁场对电子尺度Kelvin-Helmholtz不稳定性的影响

我们采用全电磁、基于粒子-in-cell 的等离子体动力学仿真，研究外部磁场对电子尺度Kelvin-Helmholtz不稳定性（ESKHI）的影响。结果适用于无碰撞等离子体体系，例如太阳风与行星磁层相互作用或在星系喷流中产生磁场。我们发现，正如磁流体动力学KHI的情况一样，在动力学范畴内，外部磁场的存在会降低不稳定性的增长率。在MHD情况下，已知存在KHI稳定的阈值磁场，而对于ESKHI则需进行解析求解。由于缺乏动力学解析表达式，我们通过多个数值仿真运行，建立了ESKHI增长率 $\Gamma(B_0)\omega_{\rm pe}$ 对于施加外部磁场强度的经验关系。我们发现最佳拟合为双曲线形式：$\Gamma(B_0)\omega_{\rm pe}=\Gamma_0\omega_{\rm pe}/(A+B\bar B_0)$，其中 $\Gamma_0$ 为无外部磁场时的ESKHI增长率，$\bar B_0=B_0/B_{\rm MHD}$ 为外部磁场与两流体MHD稳定阈值磁场之比。我们此文中推导了该阈值磁场。需要解析理论来支撑外部磁场对ESKHI增长率的影响。结果表明，在存在强磁场的天体物理环境中，ESKHI机制产生额外磁场的能力受到抑制，这意味着大自然提供了一个“安全阀”——自然保护机制，不会通过ESKHI机制“过度”生成磁场。令人惊讶的是，我们发现两流体MHD阈值磁场与全动力学理论先前预测的DC饱和磁场相同（仅相差一个因子 $\sqrt{\gamma_0}$）。