The effect of an external guide field on the turbulence-like properties of magnetic reconnection is studied using five different 2.5D kinetic particle-in-cell (PIC) simulations. The magnetic energy spectrum is found to exhibit a slope of approximately 5 / 3 in the inertial range, independent of the guide field. On the contrary, the electric field spectrum in the inertial range steepens more with the guide field and approaches a slope of 5 / 3. In addition, spectral analysis of the different terms of the generalized Ohm's law is performed and found to be consistent with PIC simulations of turbulence and MMS observations. Finally, the guide field effect on the energy transfer behavior is examined using the von Kármán–Howarth (vKH) equation based on incompressible Hall-MHD. The general characteristics of the vKH equation with constant rate of energy transfer in the inertial range are consistent in all the simulations. This suggests that the qualitative behavior of energy spectrum and energy transfer in reconnection are similar to that of turbulence, indicating that reconnection fundamentally involves an energy cascade.

1.
H.
Strauss
,
Phys. Fluids
29
,
3668
(
1986
).
2.
A.
Lazarian
and
E. T.
Vishniac
,
Astrophys. J.
517
,
700
(
1999
).
3.
W.
Matthaeus
and
S. L.
Lamkin
,
Phys. Fluids
29
,
2513
(
1986
).
4.
D.
Smith
,
S.
Ghosh
,
P.
Dmitruk
, and
W.
Matthaeus
,
Geophys. Res. Lett.
31
,
L02805
, https://doi.org/10.1029/2003GL018689 (
2004
).
6.
A.
Lazarian
,
G.
Eyink
,
E.
Vishniac
, and
G.
Kowal
,
Philos. Trans. R. Soc., A
373
,
20140144
(
2015
).
7.
A.
Lazarian
,
G. L.
Eyink
,
A.
Jafari
,
G.
Kowal
,
H.
Li
,
S.
Xu
, and
E. T.
Vishniac
,
Phys. Plasmas
27
,
012305
(
2020
).
8.
A.
Retinò
,
D.
Sundkvist
,
A.
Vaivads
,
F.
Mozer
,
M.
André
, and
C.
Owen
,
Nat. Phys.
3
,
235
(
2007
).
9.
S.
Servidio
,
W.
Matthaeus
,
M.
Shay
,
P.
Cassak
, and
P.
Dmitruk
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
115003
(
2009
).
10.
M.
Zhou
,
N. F.
Loureiro
, and
D. A.
Uzdensky
,
J. Plasma Phys.
86
,
535860401
(
2020
).
11.
J.
Stawarz
,
J.
Eastwood
,
T.
Phan
,
I.
Gingell
,
P.
Pyakurel
,
M.
Shay
,
S.
Robertson
,
C.
Russell
, and
O.
Le Contel
,
Phys. Plasmas
29
,
012302
(
2022
).
12.
P.
Muñoz
and
J.
Büchner
,
Phys. Rev. E
98
,
043205
(
2018
).
13.
E.
Leonardis
,
S. C.
Chapman
,
W.
Daughton
,
V.
Roytershteyn
, and
H.
Karimabadi
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
205002
(
2013
).
14.
F.
Pucci
,
W. H.
Matthaeus
,
A.
Chasapis
,
S.
Servidio
,
L.
Sorriso-Valvo
,
V.
Olshevsky
,
D.
Newman
,
M.
Goldman
, and
G.
Lapenta
,
Astrophys. J.
867
,
10
(
2018
).
15.
G.
Lapenta
,
F.
Pucci
,
M.
Goldman
, and
D.
Newman
,
Astrophys. J.
888
,
104
(
2020
).
16.
S.
Adhikari
,
M.
Shay
,
T.
Parashar
,
P. S.
Pyakurel
,
W.
Matthaeus
,
D.
Godzieba
,
J.
Stawarz
,
J.
Eastwood
, and
J.
Dahlin
,
Phys. Plasmas
27
,
042305
(
2020
).
17.
S.
Adhikari
,
T. N.
Parashar
,
M. A.
Shay
,
W. H.
Matthaeus
,
P. S.
Pyakurel
,
S.
Fordin
,
J. E.
Stawarz
, and
J. P.
Eastwood
,
Phys. Rev. E
104
,
065206
(
2021
).
18.
A.
Zeiler
,
D.
Biskamp
,
J.
Drake
,
B.
Rogers
,
M.
Shay
, and
M.
Scholer
,
J. Geophys. Res.: Space Phys.
107
(
A9
),
SMP 6
, https://doi.org/10.1029/2001JA000287 (
2002
).
19.
C. C.
Haggerty
,
M. A.
Shay
,
A.
Chasapis
,
T. D.
Phan
,
J. F.
Drake
,
K.
Malakit
,
P. A.
Cassak
, and
R.
Kieokaew
,
Phys. Plasmas
25
,
102120
(
2018
).
20.
M.
Swisdak
,
J.
Drake
,
M.
Shay
, and
J.
McIlhargey
,
J. Geophys. Res.: Space Phys.
110
,
A05210
, https://doi.org/10.1029/2004JA010748 (
2005
).
21.
T.
Phan
,
J.
Drake
,
M.
Shay
,
J.
Gosling
,
G.
Paschmann
,
J.
Eastwood
,
M.
Oieroset
,
M.
Fujimoto
, and
V.
Angelopoulos
,
Geophys. Res. Lett.
41
,
7002
, https://doi.org/10.1002/2014GL061547 (
2014
).
22.
H.
Karimabadi
,
W.
Daughton
, and
J.
Scudder
,
Geophys. Res. Lett.
34
,
L13104
, https://doi.org/10.1029/2007GL030306 (
2007
).
23.
M.
Shay
,
J.
Drake
, and
M.
Swisdak
,
Phys. Rev. Lett.
99
,
155002
(
2007
).
24.
M.
Goldman
,
G.
Lapenta
,
D.
Newman
,
S.
Markidis
, and
H.
Che
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
135001
(
2011
).
25.
J.
Egedal
,
A.
Le
, and
W.
Daughton
,
Phys. Plasmas
20
,
061201
(
2013
).
26.
X.
Fu
,
Q.
Lu
, and
S.
Wang
,
Phys. Plasmas
13
,
012309
(
2006
).
27.
C.
Huang
,
Q.
Lu
, and
S.
Wang
,
Phys. Plasmas
17
,
072306
(
2010
).
28.
C. W.
Smith
,
K.
Hamilton
,
B. J.
Vasquez
, and
R. J.
Leamon
,
Astrophys. J.
645
,
L85
(
2006
).
29.
F.
Sahraoui
,
M.
Goldstein
,
P.
Robert
, and
Y. V.
Khotyaintsev
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
231102
(
2009
).
30.
R. J.
Leamon
,
C. W.
Smith
,
N. F.
Ness
,
W. H.
Matthaeus
, and
H. K.
Wong
,
J. Geophys. Res.: Space Phys.
103
,
4775
, https://doi.org/10.1029/97JA03394 (
1998
).
31.
L.
Franci
,
D.
Del Sarto
,
E.
Papini
,
A.
Giroul
,
J. E.
Stawarz
,
D.
Burgess
,
P.
Hellinger
,
S.
Landi
, and
S. D.
Bale
, arXiv:2010.05048 (
2020
).
32.
S.
Bale
,
P.
Kellogg
,
F.
Mozer
,
T.
Horbury
, and
H.
Reme
,
Phys. Rev. Lett.
94
,
215002
(
2005
).
33.
C.
Chen
,
C.
Salem
,
J.
Bonnell
,
F.
Mozer
, and
S.
Bale
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
035001
(
2012
).
34.
J.
Stawarz
,
L.
Matteini
,
T.
Parashar
,
L.
Franci
,
J.
Eastwood
,
C.
Gonzalez
,
I.
Gingell
,
J.
Burch
,
R.
Ergun
,
N.
Ahmadi
et al,
J. Geophys. Res. Space Phys.
126
,
2020JA028447
, https://doi.org/10.1029/2020JA028447 (
2021
).
35.
L.
Matteini
,
O.
Alexandrova
,
C.
Chen
, and
C.
Lacombe
,
Mon. Not. R. Astron. Soc.
466
,
945
(
2017
).
36.
M. A.
Shay
,
J. F.
Drake
,
R. E.
Denton
, and
D.
Biskamp
,
J. Geophys. Res.: Space Phys.
103
,
9165
, https://doi.org/10.1029/97JA03528 (
1998
).
37.
K.
Arzner
and
M.
Scholer
,
Earth, Planets Space
53
,
655
(
2001
).
38.
C.
González
,
T.
Parashar
,
D.
Gomez
,
W.
Matthaeus
, and
P.
Dmitruk
,
Phys. Plasmas
26
,
012306
(
2019
).
39.
W. H.
Matthaeus
,
S.
Servidio
,
P.
Dmitruk
,
V.
Carbone
,
S.
Oughton
,
M.
Wan
, and
K. T.
Osman
,
Astrophys. J.
750
,
103
(
2012
).
40.
C.
Birdsall
and
A.
Langdon
,
Plasma Physics via Computer Simulation
(
McGraw-Hall
,
New York
,
1985
).
41.
H.
Politano
and
A.
Pouquet
,
Geophys. Res. Lett.
25
,
273
, https://doi.org/10.1029/97GL03642 (
1998
).
42.
A.
Verdini
,
R.
Grappin
,
P.
Hellinger
,
S.
Landi
, and
W. C.
Müller
,
Astrophys. J.
804
,
119
(
2015
).
43.
P.
Hellinger
,
A.
Verdini
,
S.
Landi
,
L.
Franci
, and
L.
Matteini
,
Astrophys. J. Lett.
857
,
L19
(
2018
).
44.
L.
Sorriso-Valvo
,
R.
Marino
,
V.
Carbone
,
A.
Noullez
,
F.
Lepreti
,
P.
Veltri
,
R.
Bruno
,
B.
Bavassano
, and
E.
Pietropaolo
,
Phys. Rev. Lett.
99
,
115001
(
2007
).
45.
R.
Marino
,
L.
Sorriso-Valvo
,
V.
Carbone
,
A.
Noullez
,
R.
Bruno
, and
B.
Bavassano
,
Astrophys. J.
677
,
L71
(
2008
).
46.
V.
Carbone
,
R.
Marino
,
L.
Sorriso-Valvo
,
A.
Noullez
, and
R.
Bruno
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
061102
(
2009
).
47.
C. W.
Smith
,
J. E.
Stawarz
,
B. J.
Vasquez
,
M. A.
Forman
, and
B. T.
MacBride
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
201101
(
2009
).
48.
R.
Bandyopadhyay
,
L.
Sorriso-Valvo
,
A.
Chasapis
,
P.
Hellinger
,
W. H.
Matthaeus
,
A.
Verdini
,
S.
Landi
,
L.
Franci
,
L.
Matteini
,
B. L.
Giles
et al,
Phys. Rev. Lett.
124
,
225101
(
2020
).
49.
H.
Politano
and
A.
Pouquet
,
Phys. Rev. E
57
,
R21
(
1998
).
50.
A. N.
Kolmogorov
, C. R. Acad. Sci. URSS
32
,
16
(
1941
) [reprinted in
Proc. R. Soc. London, Ser. A
434, 15–17 (1991)].
51.
R.
Ferrand
,
S.
Galtier
,
F.
Sahraoui
,
R.
Meyrand
,
N.
Andrés
, and
S.
Banerjee
,
Astrophys. J.
881
,
50
(
2019
).
52.
Y.
Yang
,
W. H.
Matthaeus
,
S.
Roy
,
V.
Roytershteyn
,
T. N.
Parashar
,
R.
Bandyopadhyay
, and
M.
Wan
,
Astrophys. J.
929
,
142
(
2022
).
53.
M. A.
Taylor
,
S.
Kurien
, and
G. L.
Eyink
,
Phys. Rev. E
68
,
026310
(
2003
).
54.
Y.
Wang
,
R.
Chhiber
,
S.
Adhikari
,
Y.
Yang
,
R.
Bandyopadhyay
,
M. A.
Shay
,
S.
Oughton
,
W. H.
Matthaeus
, and
M. E.
Cuesta
,
Astrophys. J.
937
,
76
(
2022
).
55.
S. B.
Pope
and
S. B.
Pope
,
Turbulent Flows
(
Cambridge University Press
,
2000
).
56.
P.
Grete
,
B. W.
O'Shea
,
K.
Beckwith
,
W.
Schmidt
, and
A.
Christlieb
,
Phys. Plasmas
24
,
092311
(
2017
).
57.
S.
Banerjee
and
N.
Andrés
,
Phys. Rev. E
101
,
043212
(
2020
).
58.
P.
Hellinger
,
E.
Papini
,
A.
Verdini
,
S.
Landi
,
L.
Franci
,
L.
Matteini
, and
V.
Montagud-Camps
,
Astrophys. J.
917
,
101
(
2021
).
59.
N.
Andrés
,
F.
Sahraoui
,
S.
Galtier
,
L. Z.
Hadid
,
P.
Dmitruk
, and
P. D.
Mininni
,
J. Plasma Phys.
84
,
905840404
(
2018
).
60.
R.
Ferrand
,
S.
Galtier
, and
F.
Sahraoui
,
J. Plasma Phys.
87
,
905870220
(
2021
).
62.
J. V.
Shebalin
,
W. H.
Matthaeus
, and
D.
Montgomery
,
J. Plasma Phys.
29
,
525
(
1983
).
63.
S.
Adhikari
,
M.
Shay
,
W.
Matthaeus
, and
T.
Parashar
, in
AGU Fall Meeting Abstracts
(
AGU
,
2021
), p.
SH25A
2066
.
64.
S.
Adhikari
,
M. A.
Shay
,
T. N.
Parashar
,
W. H.
Matthaeus
,
P.
Sharma Pyakurel
,
J. E.
Stawarz
, and
J. P.
Eastwood
, in
EGU General Assembly Conference Abstracts
(
European Geosciences Union
,
2022
), p.
EGU22
9828
.
65.
E.
Adler
,
R.
Kulsrud
, and
R.
White
,
Phys. Fluids
23
,
1375
(
1980
).
66.
F.
Pegoraro
and
T.
Schep
,
Phys. Fluids
30
,
3506
(
1987
).
67.
P.
Hellinger
,
V.
Montagud-Camps
,
L.
Franci
,
L.
Matteini
,
E.
Papini
,
A.
Verdini
, and
S.
Landi
,
Astrophys. J.
930
,
48
(
2022
).
68.
Y.
Yang
,
W.
Matthaeus
,
T.
Parashar
,
P.
Wu
,
M.
Wan
,
Y.
Shi
,
S.
Chen
,
V.
Roytershteyn
, and
W.
Daughton
,
Phys. Rev. E
95
,
061201
(
2017
).
69.
R.
Wang
,
Q.
Lu
,
R.
Nakamura
,
C.
Huang
,
A.
Du
,
F.
Guo
,
W.
Teh
,
M.
Wu
,
S.
Lu
, and
S.
Wang
,
Nat. Phys.
12
,
263
(
2016
).
70.
S.
Lu
,
Q.
Lu
,
X.
Shao
,
P. H.
Yoon
, and
S.
Wang
,
Phys. Plasmas
18
,
072105
(
2011
).
71.
C.
Huang
,
Q.
Lu
,
F.
Guo
,
M.
Wu
,
A.
Du
, and
S.
Wang
,
Geophys. Res. Lett.
42
,
7282
, https://doi.org/10.1002/2015GL065690 (
2015
).
72.
C.
Huang
,
Q.
Lu
,
R.
Wang
,
F.
Guo
,
M.
Wu
,
S.
Lu
, and
S.
Wang
,
Astrophys. J.
835
,
245
(
2017
).
73.
S.
Banerjee
and
S.
Galtier
,
Phys. Rev. E
87
,
013019
(
2013
).
74.
Computational and Information Systems Laboratory
, “
Cheyenne: HPE/SGI ICE XA System (University Community Computing)
” (
2017
).
You do not currently have access to this content.