Particle energization due to magnetic reconnection is an important unsolved problem for myriad space and astrophysical plasmas. Electron energization in magnetic reconnection has traditionally been examined from a particle, or Lagrangian, perspective using particle-in-cell (PIC) simulations. Guiding-center analyses of ensembles of PIC particles have suggested that Fermi (curvature drift) acceleration and direct acceleration via the reconnection electric field are the primary electron energization mechanisms. However, both PIC guiding-center ensemble analyses and spacecraft observations are performed in an Eulerian perspective. For this work, we employ the continuum Vlasov–Maxwell solver within the Gkeyll simulation framework to reexamine electron energization from a kinetic continuum, Eulerian, perspective. We separately examine the contribution of each drift energization component to determine the dominant electron energization mechanisms in a moderate guide-field Gkeyll reconnection simulation. In the Eulerian perspective, we find that the diamagnetic and agyrotropic drifts are the primary electron energization mechanisms away from the reconnection x-point, where direct acceleration dominates. We compare the Eulerian (Vlasov Gkeyll) results with the wisdom gained from Lagrangian (PIC) analyses.

1.
G.
Drenkhahn
and
H. C.
Spruit
,
Astron. Astrophys.
391
,
1141
(
2002
).
2.
R. P.
Lin
,
S.
Krucker
,
G. J.
Hurford
,
D. M.
Smith
,
H. S.
Hudson
,
G. D.
Holman
,
R. A.
Schwartz
,
B. R.
Dennis
,
G. H.
Share
,
R. J.
Murphy
,
A. G.
Emslie
,
C.
Johns-Krull
, and
N.
Vilmer
,
Astrophys. J. Lett.
595
,
L69
(
2003
).
3.
F. C.
Michel
,
Astrophys. J.
431
,
397
(
1994
).
4.
S.
Krucker
,
H. S.
Hudson
,
L.
Glesener
,
S. M.
White
,
S.
Masuda
,
J. P.
Wuelser
, and
R. P.
Lin
,
Astrophys. J.
714
,
1108
(
2010
).
5.
M.
Oka
,
S.
Ishikawa
,
P.
Saint-Hilaire
,
S.
Krucker
, and
R. P.
Lin
,
Astrophys. J.
764
,
6
(
2013
).
6.
J. F.
Drake
,
M.
Swisdak
,
H.
Che
, and
M. A.
Shay
,
Nature
443
,
553
(
2006
).
7.
F.
Guo
,
H.
Li
,
W.
Daughton
, and
Y.-H.
Liu
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
155005
(
2014
).
8.
V.
Zhdankin
,
D. A.
Uzdensky
,
G. R.
Werner
, and
M. C.
Begelman
,
Astrophys. J. Lett.
867
,
L18
(
2018
).
9.
L.
Comisso
and
L.
Sironi
,
Phys. Rev. Lett.
121
,
255101
(
2018
).
10.
E. N.
Parker
,
Astrophys. J.
264
,
642
(
1983
).
11.
E. N.
Parker
,
Astrophys. J.
330
,
474
(
1988
).
12.
J. F.
Drake
and
M.
Swisdak
,
Space Sci. Rev.
172
,
227
(
2012
).
13.
J. M.
TenBarge
and
G. G.
Howes
,
Astrophys. J. Lett.
771
,
L27
(
2013
).
14.
H.
Karimabadi
,
V.
Roytershteyn
,
M.
Wan
,
W. H.
Matthaeus
,
W.
Daughton
,
P.
Wu
,
M.
Shay
,
B.
Loring
,
J.
Borovsky
,
E.
Leonardis
,
S. C.
Chapman
, and
T. K. M.
Nakamura
,
Phys. Plasmas
20
,
012303
(
2013
).
15.
A.
Chasapis
,
W. H.
Matthaeus
,
T. N.
Parashar
,
O.
Le Contel
,
A.
Retinò
,
H.
Breuillard
,
Y.
Khotyaintsev
,
A.
Vaivads
,
B.
Lavraud
,
E.
Eriksson
,
T. E.
Moore
,
J. L.
Burch
,
R. B.
Torbert
,
P. A.
Lindqvist
,
R. E.
Ergun
,
G.
Marklund
,
K. A.
Goodrich
,
F. D.
Wilder
,
M.
Chutter
,
J.
Needell
,
D.
Rau
,
I.
Dors
,
C. T.
Russell
,
G.
Le
,
W.
Magnes
,
R. J.
Strangeway
,
K. R.
Bromund
,
H. K.
Leinweber
,
F.
Plaschke
,
D.
Fischer
,
B. J.
Anderson
,
C. J.
Pollock
,
B. L.
Giles
,
W. R.
Paterson
,
J.
Dorelli
,
D. J.
Gershman
,
L.
Avanov
, and
Y.
Saito
,
Astrophys. J.
836
,
247
(
2017
).
16.
M. A.
Shay
,
C. C.
Haggerty
,
W. H.
Matthaeus
,
T. N.
Parashar
,
M.
Wan
, and
P.
Wu
,
Phys. Plasmas
25
,
012304
(
2018
).
17.
C. P.
Escoubet
,
R.
Schmidt
, and
M. L.
Goldstein
,
Space Sci. Rev.
79
,
11
(
1997
).
18.
V.
Angelopoulos
,
Space Sci. Rev.
141
,
5
34
(
2008
).
19.
J. L.
Burch
,
T. E.
Moore
,
R. B.
Torbert
, and
B. L.
Giles
,
Space Sci. Rev.
199
,
5
21
(
2016
).
20.
T. D.
Phan
,
M. A.
Shay
,
J. T.
Gosling
,
M.
Fujimoto
,
J. F.
Drake
,
G.
Paschmann
,
M.
Oieroset
,
J. P.
Eastwood
, and
V.
Angelopoulos
,
Geophys. Res. Lett.
40
,
4475
, https://doi.org/10.1002/grl.50917 (
2013
).
21.
J. L.
Burch
,
R. B.
Torbert
,
T. D.
Phan
,
L.-J.
Chen
,
T. E.
Moore
,
R. E.
Ergun
,
J. P.
Eastwood
,
D. J.
Gershman
,
P. A.
Cassak
,
M. R.
Argall
,
S.
Wang
,
M.
Hesse
,
C. J.
Pollock
,
B. L.
Giles
,
R.
Nakamura
,
B. H.
Mauk
,
S. A.
Fuselier
,
C. T.
Russell
,
R. J.
Strangeway
,
J. F.
Drake
,
M. A.
Shay
,
Y. V.
Khotyaintsev
,
P.-A.
Lindqvist
,
G.
Marklund
,
F. D.
Wilder
,
D. T.
Young
,
K.
Torkar
,
J.
Goldstein
,
J. C.
Dorelli
,
L. A.
Avanov
,
M.
Oka
,
D. N.
Baker
,
A. N.
Jaynes
,
K. A.
Goodrich
,
I. J.
Cohen
,
D. L.
Turner
,
J. F.
Fennell
,
J. B.
Blake
,
J.
Clemmons
,
M.
Goldman
,
D.
Newman
,
S. M.
Petrinec
,
K. J.
Trattner
,
B.
Lavraud
,
P. H.
Reiff
,
W.
Baumjohann
,
W.
Magnes
,
M.
Steller
,
W.
Lewis
,
Y.
Saito
,
V.
Coffey
, and
M.
Chandler
,
Science
352
,
aaf2939
(
2016
).
22.
L. J.
Chen
,
A.
Bhattacharjee
,
P. A.
Puhl-Quinn
,
H.
Yang
,
N.
Bessho
,
S.
Imada
,
S.
Mühlbachler
,
P. W.
Daly
,
B.
Lefebvre
,
Y.
Khotyaintsev
,
A.
Vaivads
,
A.
Fazakerley
, and
E.
Georgescu
,
Nature
4
,
19
(
2008
).
23.
M.
Sitnov
,
J.
Birn
,
B.
Ferdousi
,
E.
Gordeev
,
Y.
Khotyaintsev
,
V.
Merkin
,
T.
Motoba
,
A.
Otto
,
E.
Panov
,
P.
Pritchett
,
F.
Pucci
,
J.
Raeder
,
A.
Runov
,
V.
Sergeev
,
M.
Velli
, and
X.
Zhou
,
Space Sci. Rev.
215
,
31
(
2019
).
24.
M.
Oka
,
T.
Phan
,
M.
Øieroset
,
D.
Turner
,
J.
Drake
,
X.
Li
,
S.
Fuselier
,
D.
Gershman
,
B.
Giles
,
R.
Ergun
,
R.
Torbert
,
H.
Wei
,
R.
Strangeway
,
C.
Russell
, and
J.
Burch
,
Phys. Plasmas
29
,
052904
(
2022
).
25.
M.
Øieroset
,
T. D.
Phan
,
M.
Oka
,
J. F.
Drake
,
S. A.
Fuselier
,
D. J.
Gershman
,
K.
Maheshwari
,
B. L.
Giles
,
Q.
Zhang
,
F.
Guo
,
J. L.
Burch
,
R. B.
Torbert
, and
R. J.
Strangeway
,
Astrophys. J.
954
,
118
(
2023
).
26.
J. T.
Dahlin
,
J. F.
Drake
, and
M.
Swisdak
,
Phys. Plasmas
21
,
092304
(
2014
).
27.
J. T.
Dahlin
,
J. F.
Drake
, and
M.
Swisdak
,
Phys. Plasmas
22
,
100704
(
2015
).
28.
J. T.
Dahlin
,
J. F.
Drake
, and
M.
Swisdak
,
Phys. Plasmas
24
,
092110
(
2017
).
29.
X.
Li
,
F.
Guo
,
H.
Li
, and
G.
Li
,
Astrophys. J. Lett.
811
,
L24
(
2015
).
30.
X.
Li
,
F.
Guo
,
H.
Li
, and
G.
Li
,
Astrophys. J.
843
,
21
(
2017
).
31.
J. T.
Dahlin
,
J. F.
Drake
, and
M.
Swisdak
,
Phys. Plasmas
23
,
120704
(
2016
).
32.
A. J.
McCubbin
,
G. G.
Howes
, and
J. M.
TenBarge
,
Phys. Plasmas
29
,
052105
(
2022
).
33.
T. G.
Northrop
,
The Adiabatic Motion of Charged Particles
(
Interscience Publishers
,
1963
).
34.
E. N.
Parker
,
Phys. Rev.
107
,
924
(
1957
).
35.
R.
Blandford
,
P.
Simeon
, and
Y.
Yuan
,
Nucl. Phys. B
256–257
,
9
22
(
2014
).
36.
X.
Li
,
F.
Guo
,
H.
Li
, and
J.
Birn
,
Astrophys. J.
855
,
80
(
2018
).
37.
A.
Beresnyak
and
H.
Li
,
Astrophys. J.
819
,
90
(
2016
).
38.
S.
Du
,
H.
Li
,
X.
Fu
,
Z.
Gan
, and
S.
Li
,
Astrophys. J.
925
,
128
(
2022
).
39.
K. G.
Klein
and
G. G.
Howes
,
Astrophys. J. Lett.
826
,
L30
(
2016
).
40.
G. G.
Howes
,
K. G.
Klein
, and
T. C.
Li
,
J. Plasma Phys.
83
,
705830102
(
2017
).
41.
K. G.
Klein
,
G. G.
Howes
, and
J. M.
Tenbarge
,
J. Plasma Phys.
83
,
535830401
(
2017
).
42.
C. H. K.
Chen
,
K. G.
Klein
, and
G. G.
Howes
,
Nature
10
,
740
(
2019
).
43.
K. G.
Klein
,
G. G.
Howes
,
J. M.
TenBarge
, and
F.
Valentini
,
J. Plasma Phys.
86
,
905860402
(
2020
).
44.
J.
Juno
,
G. G.
Howes
,
J. M.
TenBarge
,
L. B.
Wilson
III
,
A.
Spitkovsky
,
D.
Caprioli
,
K. G.
Klein
, and
A.
Hakim
,
J. Plasma Phys.
87
,
905870316
(
2021
).
45.
J.
Juno
,
C. R.
Brown
,
G. G.
Howes
,
C. C.
Haggerty
,
J. M.
TenBarge
,
I.
Wilson
,
B.
Lynn
,
D.
Caprioli
, and
K. G.
Klein
,
Astrophys. J.
944
,
15
(
2023
).
46.
G. L.
Chew
,
M. L.
Goldberger
, and
F. E.
Low
,
Proc. R. Soc. London A
236
,
112
(
1956
).
47.
R. J.
Goldston
and
P. H.
Rutherford
,
Introduction to Plasma Physics
(
Institute of Physics Publishing
,
1995
).
48.
J.
Juno
,
A.
Hakim
,
J.
TenBarge
,
E.
Shi
, and
W.
Dorland
,
J. Comput. Phys.
353
,
110
(
2018
).
49.
A.
Hakim
and
J.
Juno
, in
Proceedings of the International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage and Analysis
(
IEEE Press
,
2020
).
50.
J.
Birn
,
J. F.
Drake
,
M. A.
Shay
,
B. N.
Rogers
,
R. E.
Denton
,
M.
Hesse
,
M.
Kuznetsova
,
Z. W.
Ma
,
A.
Bhattacharjee
,
A.
Otto
, and
P. L.
Pritchett
,
J. Geophys. Res.
106
,
3715
, https://doi.org/10.1029/1999JA900449 (
2001
).
51.
M.
Swisdak
,
J. F.
Drake
,
M. A.
Shay
, and
J. G.
McIlhargey
,
J. Geophys. Res.
110
,
A05210
, https://doi.org/10.1029/2004JA010748 (
2005
).
52.
D. N.
Arnold
and
G.
Awanou
,
Found. Comput. Math.
11
,
337
(
2011
).
53.
A.
Lenard
and
I. B.
Bernstein
,
Phys. Rev.
112
,
1456
(
1958
).
54.
A.
Hakim
,
M.
Francisquez
,
J.
Juno
, and
G. W.
Hammett
,
J. Plasma Phys.
86
,
905860403
(
2020
).
55.
J.
TenBarge
(
2024
). “Electron energization in reconnection: Eulerian versus Lagrangian perspectives,”
Zenodo.
You do not currently have access to this content.