<?xml version="1.0" encoding="UTF-8" standalone="no"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" article-type="research-article">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Phys.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Physics</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Phys.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2296-424X</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fphy.2015.00018</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Astronomy and Space Sciences</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Onset of fast magnetic reconnection via subcritical bifurcation</article-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name><surname>Guo</surname> <given-names>Zhibin</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1"><sup>1</sup></xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff2"><sup>2</sup></xref>
<xref ref-type="author-notes" rid="fn001"><sup>&#x0002A;</sup></xref>
<uri xlink:href="http://community.frontiersin.org/people/u/183823"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Wang</surname> <given-names>Xiaogang</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1"><sup>1</sup></xref>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1"><sup>1</sup><institution>State Key Laboratory of Nuclear Physics and Technology, School of Physics, Peking University</institution> <country>Beijing, China</country></aff>
<aff id="aff2"><sup>2</sup><institution>WCI Center for Fusion Theory, National Fusion Research Institute</institution> <country>Daejeon, South Korea</country></aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by"><p>Edited by: Valery M. Nakariakov, University of Warwick, UK</p></fn>
<fn fn-type="edited-by"><p>Reviewed by: David Tsiklauri, Queen Mary University of London, UK; Valentina Zharkova, Northumbria University, UK</p></fn>
<fn fn-type="corresp" id="fn001"><p>&#x0002A;Correspondence: Zhibin Guo, WCI Center for Fusion Theory, National Fusion Research Institute, Seoul National University, Room&#x00023;A304, BK International House, Building 946, Gwanak-ro 1, Gwanak-gu, Seoul 151-851, South Korea <email>guozhipku&#x00040;gmail.com</email></p></fn>
<fn fn-type="other" id="fn002"><p>This article was submitted to Stellar and Solar Physics, a section of the journal Frontiers in Physics</p></fn>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>01</day>
<month>04</month>
<year>2015</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2015</year>
</pub-date>
<volume>3</volume>
<elocation-id>18</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>14</day>
<month>09</month>
<year>2014</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>12</day>
<month>03</month>
<year>2015</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#x000A9; 2015 Guo and Wang.</copyright-statement>
<copyright-year>2015</copyright-year>
<license license-type="open-access" xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/"><p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) or licensor are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract><p>We report a phase transition model for the onset of fast magnetic reconnection. By investigating the joint dynamics of streaming instability (i.e., current driven ion acoustic in this paper) and current gradient driven whistler wave prior to the onset of fast reconnection, we show that the nonlinear evolution of current sheet (CS) can be described by a Landau-Ginzburg equation. The phase transition from slow reconnection to fast reconnection occurs at a critical thickness, <inline-formula><mml:math id="M50"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x00394;</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02243;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <italic>v</italic><sub><italic>the</italic></sub> is electron thermal velocity and <italic>v</italic><sub><italic>c</italic></sub> is the velocity threshold of the streaming instability. For current driven ion acoustic, &#x00394;<sub><italic>c</italic></sub> is &#x02264; 10<italic>d</italic><sub><italic>e</italic></sub>. If the thickness of the CS is narrower than &#x00394;<sub><italic>c</italic></sub>, the CS subcritically bifurcates into a rough state, which facilitates breakage of the CS, and consequently initiates fast reconnection.</p></abstract>
<kwd-group>
<kwd>magnetic reconnections</kwd>
<kwd>fast reconnection</kwd>
<kwd>current sheets</kwd>
<kwd>bifurcation analysis</kwd>
<kwd>plasma waves</kwd>
</kwd-group>
<counts>
<fig-count count="4"/>
<table-count count="0"/>
<equation-count count="50"/>
<ref-count count="41"/>
<page-count count="8"/>
<word-count count="5105"/>
</counts>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec sec-type="introduction" id="s1">
<title>1. Introduction</title>
<p>Critical behavior is ubiquitous in magnetic reconnection related phenomena, e.g., &#x000D4;flux transfer event at magnetopause [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>], solar flare, etc. A universal property in these phenomena is that there is always a long development or slow reconnection phase before its transition into fast reconnection phase [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>]. It is found that the formation of microscopic current sheets (CSs) is a necessary condition for the transition from slow collisional reconnection to fast collisionless reconnection [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B5">5</xref>]. The idea that (whistler)wave can catalyze fast reconnection has been explored both theoretically [<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>] and experimentally [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>]. It has been found by Drake et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>] that a thin CS can be broken into small scale vortices by whistler wave turbulence and hence facilitate the fast reconnection. They also showed that prior to breakup of the CS, the critical thickness of the CS is smaller than the electron skin depth. Generation of fractal CS structure is also thought to be a way that links the microscopic and macroscopic scales in reconnection [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>]. One approach to induce a fractal CS is via a series of macroscopic MHD instabilities, such as secondary tearing mode, Rayleigh-Taylor instability [<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>], etc. It is a &#x0201C;top-down&#x0201D; process, cascading from macro-scales to micro-scales. Another approach is a &#x0201C;bottom-up&#x0201D; process, i.e., formation of the fractal CS is initiated via microscopic instabilities. This process is plausible when the thickness of the CS shrinks into a very thin level (e.g., a hybrid width of ion skin depth and electron skin depth). By then, microscopic instabilities (e.g., streaming instability, whistler wave, etc.) tends to be excited. In this paper, we study the precursor of the fast reconnection, where the nonlinearity is weak and hence a perturbation analysis is applicable. By investigating the dynamics of the CS prior to the fast reconnection, we give an estimation of a possible process of the interaction of electron- and ion-beam-driven instabilities during their passage through a CS.</p>
<p>The onset of fast reconnection usually happens in a violent way, which is quite analogous to critical-phase-transition phenomena. In general critical phenomena, the state of the system is measured by its order parameter. As the system approaches to its critical point of phase transition, the order parameter undergoes a sudden increase, so that the system evolves into a new state. For the evolution of a CS, the amplitude of the current density disturbance is a natural order parameter. In laminar reconnection scenario, the amplitude of the disturbance is small. Once the phase transition occurs, the order parameter will acquire a finite amplitude transiently. So that the CS becomes rough, which tends to facilitate the formation of fractal CS structure, and hence the fast reconnection is induced. The normal formalism, describing critical-phase-transition/subcritical bifurcation, is Landau-Ginsburg theory [<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>]. For a narrow CS, the two typical microscopic modes are streaming instability and and whistler mode, which are driven by the strength of current intensity and the gradient of current density, respectively. <italic>An caveat:</italic> for &#x0201C;narrow,&#x0201D; we mean a CS with a thickness between ion skin depth and electron skin depth, thus both the ions&#x00027; and electrons&#x00027; dynamics should be incorporated. As a paradigmatic model, we choose current-driven-ion-acoustic (CDIA) as the representative of the streaming mode. The CDIA is an electrostatic mode, and it occurs when electron temperature is much higher than ion temperature [<xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>]. The current gradient driven whistler wave (CGDW) is an electromagnetic mode and has been observed experimentally in the electron diffusion regime [<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B15">15</xref>]. We find that, under the joint interactions of CDIA and CGDW, the CS evolution is governed by a Landau-Ginsburg type equation. Once the CS is narrower than a critical thickness, the order parameter of the CS will acquire a finite value via subcritical bifurcation, and then the CS evolve into a rough state (but keep its topology). The roughened CS can be easily broken up by various instabilities, e.g., micro-tearing mode, KH mode [<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>], and hence accelerate the corresponding magnetic reconnection. We also make an estimation of the critical thickness of the CS, which is about 10<italic>d</italic><sub><italic>e</italic></sub> and is larger than that in Drake et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>]. The physics picture discussed in this paper is consistent with the results given by other approaches [<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>].</p>
<p>The rest of the paper is organized as follows. In Section 2, the linear dynamics of CDIA and CGDW is analyzed. Section 3 gives a heuristic discussion of the nonlinear dynamics of CDIA and CGDW. Combining the conclusions in Sections 2 and 3, a Landau-Ginsburg evolution equation for the current density disturbance is obtained, and its bifurcation property is discussed in Section 4. Section 5 is a summary.</p>
</sec>
<sec>
<title>2. Linear dynamics of CDIA and CGDW</title>
<p>Since electrons are the primary carriers of the current density, for simplicity, we assume the CS being purely composed of electrons, and hence all the free energy of the CS is stored in the electrons current sheet. The evolution of the electron distribution function is
<disp-formula id="E1"><label>(1)</label><mml:math id="M1"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mover accent='true'><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy='true'>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
where the collision effect in neglected. Integrating Equation (1) over <inline-formula><mml:math id="M51"><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sub><italic>e</italic>, &#x022A5;</sub>(&#x022A5; means perpendicular to the guide field in <inline-formula><mml:math id="M52"><mml:mover accent='true'><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>) yields a drift-kinetic equation
<disp-formula id="E2"><label>(2)</label><mml:math id="M2"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
where <inline-formula><mml:math id="M53"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M54"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In Equation (2), the parallel and perpendicular kinetic of <italic>F</italic><sub><italic>e</italic></sub> are linearly coupled, so evolution of <italic>F</italic><sub><italic>e</italic></sub> can be decomposed into the following two processes
<disp-formula id="E3"><label>(3)</label><mml:math id="M3"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
and
<disp-formula id="E4"><label>(4)</label><mml:math id="M4"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>For the parallel kinetics, the evolution of the CS is driven by the free energy stored in the strength of the current intensity. A simplest, nontrivial choice for the relevant mode is CDIA, which transfers the momentum of electrons to that of ions [<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>]. The perpendicular kinetics is determined by the evolution of the perpendicular collective velocity <italic>V</italic><sub><italic>e</italic>, &#x022A5;</sub>, which is in turn determined by the EMHD equation. Therefore, the relevant mode to perpendicular dynamics of the CS is CGDW, which is driven by the free energy stored in the spatial gradient of the CS and is a whistler-like instability and is related to electron momentum transport [<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>]. A consistent and complete treatment of the CS dynamics must deal with these two modes, simultaneously. Under the driving of inflow, the CS shrinks to a thin layer, and both the strength and the inhomogeneity of the current density tends to increase, so that both CDIA and CGDW modes may appear. <italic>An caveat:</italic> the realistic motions of particles inside a CS are extreme complex [<xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>] and could invalid the use of drift-kinetic equation. However, the full kinetic 3D simulations indeed observed efficient particle acceleration inside a reconnecting CS and hence streaming instabilities (e.g., two electron beam instability) tend to occur inside a CS [<xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>]. In the purpose of having a general view (not going the details of full kinetics of particles) of interaction between particle beams, we employ the drift-kinetic equation.</p>
<p>Since the CDIA and CGDW have been extensive studied in literatures [<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>], we provide a brief and heuristic discussion of the linear and nonlinear features of the CDIA and the CGDW modes, and focus on the evolution of the CS under the physics consequence of the joint interactions of these two modes.</p>
<sec>
<title>2.1. Linear instability of CDIA</title>
<p>CDIA belongs to a kind of electron streaming mode, which serves to generate anomalous resistivity. The CDIA occurs when the electron temperature, <italic>T</italic><sub><italic>e</italic></sub>, significantly exceeds the ion temperature, <italic>T</italic><sub><italic>i</italic></sub>, e.g., in flare environment [<xref ref-type="bibr" rid="B20">20</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B22">22</xref>]. Or else, it will be strongly suppressed by the ion Landau damping. Nevertheless, if <italic>T</italic><sub><italic>e</italic></sub> &#x02243; <italic>T</italic><sub><italic>i</italic></sub>, a different streaming instability, Buneman instability, might occur, which has a higher velocity threshold in the order of electron thermal velocity, <italic>v</italic><sub><italic>the</italic></sub>. CDIA and Buneman instabilities only differ in details, and they share the common physical basis of a streaming instability triggered by electron streaming velocity that exceed critical values [<xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>]. In fact, it leads to a similar conclusion if we replace the CDIA with Buneman instability.</p>
<p>The initial current sheet is assumed in a laminar state. The maximum of current density is at the mid-plane (<italic>x</italic> &#x0003D; 0) of the CS, and decays to zero at the edge in a <italic>linear</italic> way (Figure <xref ref-type="fig" rid="F1">1</xref>). (<italic>x</italic>, <italic>y</italic>) is the reconnection plane with &#x000B1;<inline-formula><mml:math id="M55"><mml:mover accent='true'><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> the direction of outflows. A strong guide field is in the out-of-plane direction, so the lower hybrid drift instability is excluded in the present paper [<xref ref-type="bibr" rid="B23">23</xref>]. We choose this profile for simplicity and a more realistic CS configuration can be chosen, but it is expected that the qualitative conclusion will not change. CDIA is well studied in literatures [<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B24">24</xref>], so we directly write its dispersion relation as follows</p>
<disp-formula id="E5"><label>(5)</label><mml:math id="M5"><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E6"><label>(6)</label><mml:math id="M6"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where &#x003C9;<sup><italic>CDIA</italic></sup><sub><italic>k</italic></sub> is the real frequency and &#x003B3;<sup><italic>CDIA</italic></sup><sub><italic>k</italic></sub> is the linear growth rate of the CDIA. <italic>k</italic><sub><italic>z</italic></sub> is the wavenumber in <italic>z</italic> direction, &#x02329;<italic>v</italic><sub><italic>e</italic></sub>&#x0232A; is the mean electron streaming velocity in <inline-formula><mml:math id="M56"><mml:mover accent='true'><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, and <italic>v</italic><sub><italic>c</italic></sub> is the threshold velocity. Neglecting the effect of a mean electric field, which is small in the precursor of fast reconnection, <italic>v</italic><sub><italic>c</italic></sub> is just the ion acoustic speed. Though a mean electric field may slightly shift the value of the threshold velocity [<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>], the structures of the dispersion relations, Equations (5) and (6), will not change. In the Appendix, we present a derivation of &#x003B3;<sup><italic>CDIA</italic></sup><sub><italic>k</italic></sub> in the existence of a weak mean electric field, and show that only is the threshold velocity slightly shifted. As an illustration, we use the results of Bychenkov et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>]:</p>
<disp-formula id="E7"><label>(7)</label><mml:math id="M7"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic>c</italic><sub><italic>s</italic></sub> &#x0003D; (<italic>T</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x0002B; <italic>T</italic><sub><italic>e</italic></sub>/<italic>m</italic><sub><italic>i</italic></sub>)<sup>1/2</sup> is the ion acoustic speed, <italic>m</italic><sub><italic>i</italic></sub> is the ion mass, and <italic>a</italic> &#x0003D; 2.14. The equilibrium distribution function of electrons is</p>
<disp-formula id="E48"><mml:math id="M48"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<fig id="F1" position="float">
<label>Figure 1</label>
<caption><p><bold>Sketch of the initial configuration of the CS</bold>.</p></caption>
<graphic xlink:href="fphy-03-00018-g0001.tif"/>
</fig>
<p>Without losing of generality, the electron streaming velocity at the center of the CS is taken to be marginal, i.e., &#x02329;<italic>v</italic><sub><italic>e</italic></sub>&#x0232A;(<italic>x</italic> &#x0003D; 0) &#x0003D; <italic>v</italic><sub><italic>c</italic></sub>. We also assume &#x02329;<italic>v</italic><sub><italic>e</italic></sub>&#x0232A;(<italic>x</italic>) varying linearly, &#x02329;<italic>v</italic><sub><italic>e</italic></sub>&#x0232A;(<italic>x</italic>) &#x0003D; <italic>v</italic><sub><italic>c</italic></sub> &#x0002B; &#x02329;<italic>v</italic><sub><italic>e</italic></sub>&#x0232A;&#x02032;<italic>x</italic>, with current shear &#x02329;<italic>v</italic><sub><italic>e</italic></sub>&#x0232A;&#x02032; &#x0003C; 0 (here we take <italic>x</italic> &#x0003E; 0). Then the general form of &#x003B3;<sup><italic>CDIA</italic></sup><sub><italic>k</italic></sub>(<italic>x</italic>) for a inhomogeneous CS follows as
<disp-formula id="E8"><label>(8)</label><mml:math id="M8"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x02243;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
where <inline-formula><mml:math id="M57"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02243;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. &#x003B3;<sup><italic>CDIA</italic></sup><sub><italic>k</italic></sub> has been assumed to be marginal in the middle plane of the CS, it becomes more and more negative as approaching the edge.</p>
</sec>
<sec>
<title>2.2. Linear instability of CGDW</title>
<p>CGDW is an electromagnetic mode and can be described by EMHD equation [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>]
<disp-formula id="E9"><label>(9)</label><mml:math id="M9"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>B</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>j</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>v</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>j</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>v</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>B</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
where <italic>d</italic><sub><italic>e</italic></sub> is the electron skin depth, <italic>j</italic><sub><italic>e</italic></sub> &#x0003D; &#x02212;<italic>en</italic><sub><italic>e</italic></sub><italic>v</italic><sub><italic>e</italic></sub> &#x0003D; &#x02207; &#x000D7; <italic>B</italic> is the electron current density, and <italic>B</italic> is the total magnetic field with a strong guide component in <inline-formula><mml:math id="M58"><mml:mover accent='true'><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>. The linear growth rate of the CGDW is proportional to the gradient of the CS. By extracting the free energy terms in linearizing Equation (9), one has
<disp-formula id="E10"><label>(10)</label><mml:math id="M10"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>B</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>j</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>j</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
where the terms with higher spatial derivatives(&#x02329;<italic>v</italic><sub><italic>e</italic></sub>&#x0232A;,&#x02033; &#x02329;<italic>v</italic><sub><italic>e</italic></sub>&#x0232A;&#x02034;&#x02026;) are ignored. Employing the transformations of &#x02202;<sub><italic>t</italic></sub> &#x02192; &#x003B3;<sup><italic>CGDW</italic></sup><sub><italic>k</italic></sub>, &#x02207; &#x02192; <italic>ik</italic> yields
<disp-formula id="E11"><label>(11)</label><mml:math id="M11"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msubsup><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>B</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>k</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>j</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>&#x003B3;<sup><italic>CGDW</italic></sup><sub><italic>k</italic></sub> is solved as</p>
<disp-formula id="E12"><label>(12)</label><mml:math id="M12"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>In the above derivation, we have assumed that the current density shear is caused by electron drift velocity, other than density inhomogeneity [<xref ref-type="bibr" rid="B26">26</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B27">27</xref>].</p>
<p>Though CGDW is driven by gradient of current density, it is not electron Kelvin-Helmholtz (KH) mode. The real frequency of CGDW is in the order of the whistler frequency, while the electron KH mode is a purely growing mode. CGDW is driven predominantly by the gradient in the out-of-plane current density, while electron KH mode is driven by shears of the in-plane electron flows [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B28">28</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B29">29</xref>]. Therefore, CGDW and electron KH modes are two different types of instabilities. Whistler wave has been confirmed in laboratory experiments and satellite observations, and is considered to be important in initiating fast reconnection [<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B15">15</xref>]. In simulations, a current gradient driven mode with similar features has also been observed [<xref ref-type="bibr" rid="B30">30</xref>].</p>
</sec>
</sec>
<sec>
<title>3. Nonlinear dynamics of CDIA and CGDW modes</title>
<p>Prior to the onset of fast reconnection, the nonlinearities of the parallel and perpendicular dynamics are weak, so that a perturbation analysis of the nonlinear dynamics of the CS is applicable.</p>
<sec>
<title>3.1. Nonlinear instability of CDIA</title>
<p>To the first order, <overline><italic>f</italic></overline><sub><italic>e</italic></sub> is adiabatically shifted [<xref ref-type="bibr" rid="B31">31</xref>] by a <italic>finite</italic> perturbation of electron drift velocity in <inline-formula><mml:math id="M59"><mml:mover accent='true'><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> (See Figure <xref ref-type="fig" rid="F2">2</xref>), <inline-formula><mml:math id="M60"><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sub><italic>e</italic>, <italic>z</italic></sub>, i.e.,</p>
<disp-formula id="E13"><label>(13)</label><mml:math id="M13"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<fig id="F2" position="float">
<label>Figure 2</label>
<caption><p><bold>Sketch of nonlinear shift of <overline><italic>f</italic></overline><sub><italic>e</italic></sub></bold>.</p></caption>
<graphic xlink:href="fphy-03-00018-g0002.tif"/>
</fig>
<p>Depending on the sign of <inline-formula><mml:math id="M61"><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sub><italic>e</italic>, <italic>z</italic></sub>, the nonlinear change of the free energy in the intensity of the current density is positive (<inline-formula><mml:math id="M62"><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sub><italic>e</italic></sub> &#x0003E; 0, the red one in Figure <xref ref-type="fig" rid="F2">2</xref>) or negative (<inline-formula><mml:math id="M63"><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sub><italic>e</italic>, <italic>z</italic></sub> &#x0003C; 0, the blue one in Figure <xref ref-type="fig" rid="F2">2</xref>). For the positive change, the CDIA is nonlinearly unstable, or else it is nonlinearly stable. Substituting Equation (13) into Equation (6), the nonlinear growth rate is readily derived as
<disp-formula id="E14"><label>(14)</label><mml:math id="M14"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02243;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
where <inline-formula><mml:math id="M64"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>Combining Equations (8) and (14), the evolution of |<inline-formula><mml:math id="M65"><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sub><italic>e</italic>, <italic>z</italic></sub>| driven by CDIA is (i.e., Equation 3)
<disp-formula id="E15"><label>(15)</label><mml:math id="M15"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02243;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
where <inline-formula><mml:math id="M66"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:msub><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M67"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:msub><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. <inline-formula><mml:math id="M68"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:msub><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02243;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is used in deriving Equation (15), because the spectrum width of CDIA modes is narrow in the initial nonlinear stage. For a positive perturbation (the case of interest), the CS is nonlinearly unstable and hence, to reach a saturated state, one needs consider higher order nonlinear interaction. For acoustic turbulence [<xref ref-type="bibr" rid="B32">32</xref>], three-wave coupling is lacked, and the next-to-order nonlinear interaction scales as <italic>O</italic>(|<inline-formula><mml:math id="M69"><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sub><italic>e</italic>, <italic>z</italic></sub>|<sup>3</sup>). Therefore, for the nonlinear dynamics of CDIA, only the lowest nonlinear interaction needs to be included.</p>
</sec>
<sec>
<title>3.2. Nonlinear dynamics of CGDW</title>
<p>It has been demonstrated that a sharpening CS can be flattened via a (nonlinear)hyper-diffusion [<xref ref-type="bibr" rid="B33">33</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B34">34</xref>], which corresponds to the electron momentum transport perpendicular to the CS. There are also accumulated numerical evidence that point to the plausibility of a hyper-diffusion process in broadening the CS [<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>]. Here we focus on the general structure of the current density evolution equation in the impact of the CGDW turbulence. The nonlinearity of Equation (9) comes from the two terms on the RHS of Equation (9). Since both <inline-formula><mml:math id="M70"><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sub><italic>e</italic></sub> and <inline-formula><mml:math id="M71"><mml:mover accent='true'><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> are functions of <inline-formula><mml:math id="M72"><mml:mover accent='true'><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, the strength of the nonlinear interaction of Equation (9) is &#x0007E; <italic>j</italic><sup>2</sup>. Keeping minimal algebras, we write the nonlinear evolution of a &#x0201C;test&#x0201D; mode (<inline-formula><mml:math id="M73"><mml:mover accent='true'><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sub><italic>z</italic>, <italic>k</italic></sub>) as
<disp-formula id="E16"><label>(16)</label><mml:math id="M16"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup></mml:munder><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
where <italic>C</italic>(<italic>k</italic>, <italic>k</italic>&#x02032;) is the nonlinear coupling coefficient given by Equation (9). The three components of <inline-formula><mml:math id="M74"><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>j</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sub><italic>k</italic></sub> are related with each other via Equation (9) and incompressibility condition, &#x02207; &#x000B7; <inline-formula><mml:math id="M75"><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>j</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> &#x0003D; 0. So, the nonlinear coupling on the RHS of Equation (16) can be expressed in the form of self-coupling of <inline-formula><mml:math id="M76"><mml:mover accent='true'><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sub><italic>z</italic>, <italic>k</italic></sub>. With direct interaction approximation [<xref ref-type="bibr" rid="B35">35</xref>], the nonlinear coupling in Equation (16) is approximated as <inline-formula><mml:math id="M77"><mml:mover accent='true'><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sub><italic>z</italic>, &#x02212;<italic>k</italic>&#x02032;</sub><inline-formula><mml:math id="M78"><mml:mover accent='true'><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sub><italic>z</italic>, <italic>k</italic>&#x02032; &#x0002B; <italic>k</italic></sub> &#x02243; <inline-formula><mml:math id="M79"><mml:mover accent='true'><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sub><italic>z</italic>, &#x02212;<italic>k</italic>&#x02032;</sub><inline-formula><mml:math id="M80"><mml:mover accent='true'><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sup>(2)</sup><sub><italic>z</italic>, <italic>k</italic>&#x02032; &#x0002B; <italic>k</italic></sub>, and the coherent response <inline-formula><mml:math id="M81"><mml:mover accent='true'><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sup>(2)</sup><sub><italic>z</italic>, <italic>k</italic>&#x02032; &#x0002B; <italic>k</italic></sub> is given by Equations (9) and (16):
<disp-formula id="E17"><label>(17)</label><mml:math id="M17"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent='true'><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
where the response function <italic>R</italic><sub>&#x003C9;<sub><italic>k</italic>&#x02032; &#x0002B; <italic>k</italic></sub>, <italic>k</italic>&#x02032; &#x0002B; <italic>k</italic></sub> takes the form of</p>
<disp-formula id="E18"><label>(18)</label><mml:math id="M18"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Here &#x003C9;<sub><italic>whistler</italic></sub> is the whistler frequency, and (<italic>k</italic><sub><italic>z</italic></sub> &#x0002B; <italic>k</italic><sub><italic>z</italic></sub>&#x02032;)&#x02329;<italic>v</italic><sub><italic>e</italic></sub>&#x0232A; is the effect of Doppler shift. In the resonance condition &#x003C9;<sub><italic>k</italic>&#x02032; &#x0002B; <italic>k</italic></sub> &#x02212; &#x003C9;<sub><italic>histler</italic></sub> &#x02212; (<italic>k</italic><sub><italic>z</italic></sub> &#x0002B; <italic>k</italic><sub><italic>z</italic></sub>&#x02032;)&#x02329;<italic>v</italic><sub><italic>e</italic></sub>&#x0232A; &#x0003D; 0), <italic>R</italic><sub>&#x003C9;<sub><italic>k</italic>&#x02032; &#x0002B; <italic>k</italic></sub>, <italic>k</italic>&#x02032; &#x0002B; <italic>k</italic></sub> is simplified as
<disp-formula id="E19"><label>(19)</label><mml:math id="M19"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Combining Equations (17) and (19), Equation (16) yields</p>
<disp-formula id="E20"><label>(20)</label><mml:math id="M20"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02243;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup></mml:munder><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Since the spectrum of <inline-formula><mml:math id="M82"><mml:mover accent='true'><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sub><italic>z</italic>, <italic>k</italic></sub> is narrow, one has <inline-formula><mml:math id="M83"><mml:mover accent='true'><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sub><italic>z</italic>, <italic>k</italic>&#x02032;</sub> &#x02243; <inline-formula><mml:math id="M84"><mml:mover accent='true'><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sub><italic>z</italic>, <italic>k</italic></sub>. Equation (20) is further approximated as
<disp-formula id="E21"><label>(21)</label><mml:math id="M21"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02243;</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
where
<disp-formula id="E49"><mml:math id="M49"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup></mml:munder><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>The &#x0201C;test&#x0201D; mode <inline-formula><mml:math id="M85"><mml:mover accent='true'><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sub><italic>z</italic>, <italic>k</italic></sub> is stabilized by the nonlinear term in Equation (21), so &#x003B2;<sub><italic>k</italic></sub> should be a <italic>positive</italic> coupling coefficient [<xref ref-type="bibr" rid="B36">36</xref>]. Combining Equations (12) and (21), one obtains the evolution of |<inline-formula><mml:math id="M86"><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sub><italic>e</italic>, <italic>z</italic></sub>| driven by CGDW (i.e., Equation 4)
<disp-formula id="E22"><label>(22)</label><mml:math id="M22"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02243;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
where <inline-formula><mml:math id="M87"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:msub><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M88"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:msub><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>&#x02243;</mml:mo><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math id="M89"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:msub><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
</sec>
</sec>
<sec>
<title>4. Subcritical bifurcation of the CS</title>
<p>Combining Equations (15) and (22) yields the full evolution equation of |<inline-formula><mml:math id="M90"><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sub><italic>e</italic>, <italic>z</italic></sub>|
<disp-formula id="E23"><label>(23)</label><mml:math id="M23"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
where the total linear growth rate &#x003B3;<sub><italic>L</italic></sub> is
<disp-formula id="E24"><label>(24)</label><mml:math id="M24"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:munder><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
and its marginally stable position is
<disp-formula id="E25"><label>(25)</label><mml:math id="M25"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Since the edge of the CS is relatively the most stable point, we take it as an indicator of the global state of the CS. In other words, if phase transition occurs at the edge, the whole CS will transit into the new state, too. The bifurcation property of Equation (23) is determined by the sign of <inline-formula><mml:math id="M91"><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sub><italic>e</italic>, <italic>z</italic></sub>. For a positive perturbation, <inline-formula><mml:math id="M92"><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sub><italic>e</italic>, <italic>z</italic></sub> &#x0003E; 0, the CS is <italic>subcritical</italic> bifurcation, or else it is <italic>supercritical</italic> bifurcation. In the supercritical bifurcation case, both the nonlinear terms tend to stabilize the linear term, so that the amplitude of the order parameter is constrained to a relative small value. While in the subcritical bifurcation case, the first nonlinear interaction on the RHS of Equation (23) is nonlinearly unstable, so that <inline-formula><mml:math id="M93"><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sub><italic>e</italic>, <italic>z</italic></sub> can acquire an <italic>finite</italic> value after the phase transition. Therefore, the subcritical bifurcation is more relevant to the onset of fast magnetic reconnection, and it is the case of interest in the present paper.</p>
<p>In the subcritical bifurcation scenario, <inline-formula><mml:math id="M94"><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sub><italic>e</italic>, <italic>z</italic></sub> &#x0003D; |<inline-formula><mml:math id="M95"><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sub><italic>e</italic>, <italic>z</italic></sub>| and Equation (23) becomes
<disp-formula id="E26"><label>(26)</label><mml:math id="M26"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
which is a real <italic>Landau-Ginzburg</italic> equation [<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>]. The corresponding free energy is
<disp-formula id="E27"><label>(27)</label><mml:math id="M27"><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>In the steady state, one has &#x003B4;<italic>F</italic>/&#x003B4;|<inline-formula><mml:math id="M96"><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sub><italic>e</italic>, <italic>z</italic></sub>| &#x0003D; 0. |<inline-formula><mml:math id="M97"><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sub><italic>e</italic>, <italic>z</italic></sub>| is solved as
<disp-formula id="E28"><label>(28)</label><mml:math id="M28"><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E29"><label>(29)</label><mml:math id="M29"><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E30"><label>(30)</label><mml:math id="M30"><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mn>0.</mml:mn><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Figure <xref ref-type="fig" rid="F3">3</xref> provides a schematic illustration of the three types of solutions and their stabilities.</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>Figure 3</label>
<caption><p><bold>Bifurcation diagram: solid lines represent unstable points, and dashed lines represent stable points</bold>. The red lines represents the solutions, |<inline-formula><mml:math id="M98"><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sub><italic>e</italic>, <italic>z</italic></sub>|<sub><italic>I</italic></sub> and |<inline-formula><mml:math id="M99"><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sub><italic>e</italic>, <italic>z</italic></sub>|<sub><italic>II</italic></sub>, and black line represents the solution, |<inline-formula><mml:math id="M100"><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sub><italic>e</italic>, <italic>z</italic></sub>|<sub><italic>III</italic></sub>.</p></caption>
<graphic xlink:href="fphy-03-00018-g0003.tif"/>
</fig>
<p>The most remarkable feature of these solutions is their subcritical bifurcation. At the beginning, the nonlinearity (the 2nd term on the RHS of Equation 26) of the CDIA starts to drive the current density perturbation (i.e., <inline-formula><mml:math id="M101"><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sub><italic>e</italic>, <italic>z</italic></sub>) to grow in an explosive way. Transiently, the hyper-diffusion induced by the nonlinearity (the 3rd term on the RHS of Equation 26) of the CGDW comes into effect and saturates the explosive growth. Via the above process, the order parameter acquires a finite value instantly and the CS evolves into a rough state.</p>
<p>The subcritical bifurcation occurs at
<disp-formula id="E31"><label>(31)</label><mml:math id="M31"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:msub><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:msub><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02243;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mover accent='true'><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:munder><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
with <inline-formula><mml:math id="M102"><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:msub><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The 2nd term on the RHS of Equation (31) scales as &#x0007E; <italic>m</italic><sub><italic>e</italic></sub>/<italic>m</italic><sub><italic>i</italic></sub>)<sup>1/2</sup><italic>d</italic><sub><italic>e</italic></sub>. Compared with <italic>x</italic><sub><italic>c</italic></sub>(&#x0007E; (<italic>m</italic><sub><italic>i</italic></sub>/<italic>m</italic><sub><italic>e</italic></sub>)<sup>1/2</sup><italic>d</italic><sub><italic>e</italic></sub>), it is negligible. For isotropic turbulence, substituting Equation (7) into Equation (25) yields the critical thickness of the CS,
<disp-formula id="E32"><label>(32)</label><mml:math id="M32"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x00394;</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02243;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02243;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:msqrt><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>~</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
where <italic>T</italic><sub><italic>e</italic></sub> &#x0226B; <italic>T</italic><sub><italic>i</italic></sub> is used and <italic>d</italic><sub><italic>e</italic></sub> &#x0003C; |<italic>k</italic><sup>&#x02212;1</sup>| &#x0003C; <italic>d</italic><sub><italic>i</italic></sub>. Equation (32) indicates that the mass ratio of ion and electron plays an important role in determining the critical thickness [<xref ref-type="bibr" rid="B37">37</xref>]. The above crude estimation is also comparable with experimental observations [<xref ref-type="bibr" rid="B37">37</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B38">38</xref>]. As is pointed out earlier, the specific value of the critical thickness is very sensitive to the type of streaming instability. For example, if the streaming instability is Buneman instability, which has a much higher threshold velocity in the order of electron thermal velocity [<xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>], putting <italic>v</italic><sub><italic>c</italic></sub> &#x02243; <italic>v</italic><sub><italic>the</italic></sub> into Equation (25), the corresponding critical thickness is approximately &#x00394;<sub><italic>c</italic></sub> &#x0007E; <italic>d</italic><sub><italic>e</italic></sub>. It should be pointed out that the proceeded calculation can only give a simple estimation. For more precise and complete description of the CS dynamics, first principle 3D simulations are needed [<xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>].</p>
<p>The phase transition of the CS proceeds in an explosive way. We can see this by observing the temporal behavior of |<inline-formula><mml:math id="M103"><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sub><italic>e</italic>, <italic>z</italic></sub>|. In the early nonlinear stage, the 1st and 3rd terms on the RHS of Equation (26) are ignorable, and one has</p>
<disp-formula id="E33"><label>(33)</label><mml:math id="M33"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>&#x02243;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Thus, |<inline-formula><mml:math id="M104"><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sub><italic>e</italic>, <italic>z</italic></sub>| scales as |<inline-formula><mml:math id="M105"><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sub><italic>e</italic>, <italic>z</italic></sub>| &#x0007E; (<italic>t</italic><sub>0</sub> &#x02212; <italic>t</italic>)<sup>&#x02212;1</sup> and time <italic>t</italic><sub>0</sub> is determined by initial conditions. Near the phase transition point, the CS grows so fast that other instabilities (e.g., tearing mode) have no time to make a significant impact on the transition process. Under the driving of the inflow, the CS shrinks along the stable line (state |<inline-formula><mml:math id="M106"><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sub><italic>e</italic>, <italic>z</italic></sub>|<sub><italic>III</italic></sub>, solid, black line in Figure <xref ref-type="fig" rid="F3">3</xref>) to a thickness equaling to &#x00394;<sub><italic>c</italic></sub>, and then it subcritically bifurcates into the state, |<inline-formula><mml:math id="M107"><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sub><italic>e</italic>, <italic>z</italic></sub>|<sub><italic>I</italic></sub>, where the order parameter |<inline-formula><mml:math id="M108"><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sub><italic>e</italic>, <italic>z</italic></sub>| acquires a <italic>finite</italic> value, instantly. Consequently, the CS is deformed and becomes rough, but its topology is not changed. The newly induced rough structures will facilitate the occurrence of micro-instabilities, e.g., micro-tearing mode, and hence induce fast reconnection. Figure <xref ref-type="fig" rid="F4">4</xref> provides a diagrammatic sketch of this process.</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>Figure 4</label>
<caption><p><bold>Sketch of the formation of rough CS and the following filamentation</bold>.</p></caption>
<graphic xlink:href="fphy-03-00018-g0004.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec>
<title>5. Summary</title>
<p>In this paper, we study the nonlinear dynamics of a CS prior to the onset of fat reconnection. We show that under the joint interactions of the CDIA and CGDW, the CS can transmit into a rough state from a laminar state via subcritical bifurcation. The thickness of the CS is a &#x0201C;controller&#x0201D; of the phase transition. The phase transition occurs once it is narrower than a critical value. The rough CS can facilitate the formation of a fractal CS, and hence induce fast reconnection. Through the critical thickness is predicted as &#x00394;<sub><italic>c</italic></sub> &#x0007E; 10<italic>d</italic><sub><italic>e</italic></sub>/(1 &#x0002B; <italic>k</italic><sup>2</sup><italic>d</italic><sup>2</sup><sub><italic>e</italic></sub>), the model proposed here is only paradigmatic. As we stressed in the paper, the type of streaming instability is very important in giving a quantitative prediction of &#x00394;<sub><italic>c</italic></sub>. Also, in this work we focus on the CS dynamics below the ion skin depth, and the kinetic effect [e.g., kinetic Alfv&#x000E9;n wave (KAW)] of ions is ignored [<xref ref-type="bibr" rid="B39">39</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B40">40</xref>]. In the KAW dominant regime (characteristic scale of fluctuations is order of ion&#x00027;s skin depth/Lamor radius), the nonlinear dynamics of the CS will be determined by the joint interactions of streaming instability and KAW instability. However, since the dispersion relation of whistler wave and KAW are similar, it can expect that the CS will also undergo subcritical bifurcation process at some other critical width. The qualitative physics picture proposed in this paper is testable in numerical studies dedicated to the onset of fast reconnection [<xref ref-type="bibr" rid="B41">41</xref>].</p>
<sec>
<title>Conflict of interest statement</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p></sec>
</sec>
</body>
<back>
<ack>
<p>This work was supported by the Ministry of Science and Technology of China under Grant Nos. 2013GB111001, and 2013GB112002. ZG was also supported by the WCI Program of the National Research Foundation of Korea funded by the Ministry of Education, Science and Technology of Korea [WCI 2009-001].</p>
</ack>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<label>1.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Walsh</surname> <given-names>AP</given-names></name> <name><surname>Fazakerley</surname> <given-names>AN</given-names></name> <name><surname>Lahiff</surname> <given-names>AD</given-names></name> <name><surname>Volwerk</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Grocott</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Dunlop</surname> <given-names>MW</given-names></name> <etal/></person-group>. <article-title>Cluster and double star multipoint observations of a plasma bubble</article-title>. <source>Ann Geophys</source>. (<year>2009</year>) <volume>27</volume>:<fpage>725</fpage>&#x02013;<lpage>43</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.5194/angeo-27-725-2009</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B2">
<label>2.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Owen</surname> <given-names>CJ</given-names></name> <name><surname>Marchaudon</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Dunlop</surname> <given-names>MW</given-names></name> <name><surname>Fazakerley</surname> <given-names>AN</given-names></name> <name><surname>Bosqued</surname> <given-names>JM</given-names></name> <name><surname>Dewhurst</surname> <given-names>JP</given-names></name> <etal/></person-group>. <article-title>Cluster observations of crater flux transfer events at the dayside high-latitude magnetopause</article-title>. <source>J Geophys Res</source>. (<year>2008</year>) <volume>113</volume>:<fpage>A07504</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1029/2007JA012701</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B3">
<label>3.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Cassak</surname> <given-names>P</given-names></name> <name><surname>Shay</surname> <given-names>M</given-names></name></person-group>. <article-title>Magnetic reconnection for coronal conditions: reconnection rates, secondary islands and onset</article-title>. <source>Space Sci Rev</source>. (<year>2012</year>) <volume>172</volume>:<fpage>283</fpage>&#x02013;<lpage>302</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s11214-011-9755-2</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">20867456</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B4">
<label>4.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Daughton</surname> <given-names>W</given-names></name> <name><surname>Scudder</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Karimabadi</surname> <given-names>H</given-names></name></person-group>. <article-title>Fully kinetic simulations of undriven magnetic reconnection with open boundary conditions</article-title>. <source>Phys Plasmas</source>. (<year>2006</year>) <volume>13</volume>:<fpage>072101</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.2218817</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B5">
<label>5.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Daughton</surname> <given-names>W</given-names></name> <name><surname>Roytershteyn</surname> <given-names>V</given-names></name></person-group>. <article-title>Emerging parameter space map of magnetic reconnection in collisional and kinetic regimes</article-title>. <source>Space Sci Rev</source>. (<year>2011</year>) <volume>172</volume>:<fpage>271</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s11214-011-9766-z</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B6">
<label>6.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Drake</surname> <given-names>JF</given-names></name> <name><surname>Biskamp</surname> <given-names>D</given-names></name> <name><surname>Zeiler</surname> <given-names>A</given-names></name></person-group>. <article-title>Breakup of the electron current layer during 3-D collisionless magnetic reconnection</article-title>. <source>Geophys Res Lett</source>. (<year>1997</year>) <volume>24</volume>: <fpage>2921</fpage>&#x02013;<lpage>4</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1029/97GL52961</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B7">
<label>7.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Shay</surname> <given-names>MA</given-names></name> <name><surname>Drake</surname> <given-names>JF</given-names></name> <name><surname>Denton</surname> <given-names>RE</given-names></name> <name><surname>Biskamp</surname> <given-names>D</given-names></name></person-group>. <article-title>Structure of the dissipation region during collisionless magnetic reconnection</article-title>. <source>J Geophys Res Space Phys</source>. (<year>1998</year>) <volume>103</volume>:<fpage>9165</fpage>&#x02013;<lpage>76</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1029/97JA03528</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">17995175</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B8">
<label>8.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Shay</surname> <given-names>MA</given-names></name> <name><surname>Drake</surname> <given-names>JF</given-names></name> <name><surname>Rogers</surname> <given-names>BN</given-names></name> <name><surname>Denton</surname> <given-names>RE</given-names></name></person-group>. <article-title>The scaling of collisionless, magnetic reconnection for large systems</article-title>. <source>Geophys Res Lett</source>. (<year>1999</year>) <volume>26</volume>: <fpage>2163</fpage>&#x02013;<lpage>6</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1029/1999GL900481</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B9">
<label>9.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Deng</surname> <given-names>XH</given-names></name> <name><surname>Matsumoto</surname> <given-names>H</given-names></name></person-group>. <article-title>Rapid magnetic reconnection in the Earth&#x00027;s magnetosphere mediated by whistler waves</article-title>. <source>Nature</source> (<year>2001</year>) <volume>410</volume>:<fpage>557</fpage>&#x02013;<lpage>60</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/35069018</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">11279487</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B10">
<label>10.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Tajima</surname> <given-names>T</given-names></name> <name><surname>Shibata</surname> <given-names>K.</given-names></name></person-group> <source>Plasma Astrophysics</source>. <publisher-loc>Massachusetts</publisher-loc>: <publisher-name>Addison-Wesley</publisher-name> (<year>1997</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B11">
<label>11.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Isobe</surname> <given-names>H</given-names></name> <name><surname>Shibata</surname> <given-names>K</given-names></name></person-group>. <article-title>Reconnection in solar flares: outstanding questions</article-title>. <source>J Astrophys Astr</source>. (<year>2009</year>) <volume>30</volume>:<fpage>79</fpage>&#x02013;<lpage>85</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s12036-009-0007-8</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B12">
<label>12.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Crawford</surname> <given-names>JD</given-names></name></person-group>. <article-title>Introduction to bifurcation theory</article-title>. <source>Rev Mod Phys</source>. (<year>1991</year>) <volume>63</volume>:<fpage>991</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/RevModPhys.63.991</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B13">
<label>13.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Roussev</surname> <given-names>I</given-names></name> <name><surname>Galsgaard</surname> <given-names>K</given-names></name> <name><surname>Judge</surname> <given-names>PG</given-names></name></person-group>. <article-title>Physical consequences of the inclusion of anomalous resistivity in the dynamics of 2D magnetic reconnection</article-title>. <source>Astron Astrophys</source>. (<year>2002</year>) <volume>382</volume>:<fpage>639</fpage>&#x02013;<lpage>49</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1051/0004-6361:20011645</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B14">
<label>14.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ji</surname> <given-names>H</given-names></name> <name><surname>Terry</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Yamada</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Kulsrud</surname> <given-names>R</given-names></name> <name><surname>Kuritsyn</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Ren</surname> <given-names>Y</given-names></name></person-group>. <article-title>Electromagnetic fluctuations during fast reconnection in a laboratory plasma</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source>. (<year>2004</year>) <volume>92</volume>:<fpage>115001</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.92.115001</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">15089143</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B15">
<label>15.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Singh</surname> <given-names>N</given-names></name></person-group>. <article-title>Whistler mode based explanation for the fast reconnection rate measured in the MIT versatile toroidal facility</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source>. (<year>2011</year>) <volume>107</volume>:<fpage>245003</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.107.245003</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">22243006</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B16">
<label>16.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Siversky</surname> <given-names>TV</given-names></name> <name><surname>Zharkova</surname> <given-names>VV</given-names></name></person-group>. <article-title>Particle acceleration in a reconnecting current sheet: PIC simulation</article-title>. <source>J Plasma Phys</source>. (<year>2009</year>) <volume>75</volume>:<fpage>619</fpage>&#x02013;<lpage>36</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1017/S0022377809008009</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B17">
<label>17.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Sagdeev</surname> <given-names>RZ</given-names></name></person-group>. <article-title>On Ohms law resulting from instability</article-title>. <source>Proc Symp Appl Math</source>. (<year>1967</year>) <volume>18</volume>:<fpage>281</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1090/psapm/018/9919</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B18">
<label>18.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Drake</surname> <given-names>JF</given-names></name> <name><surname>Kleva</surname> <given-names>RG</given-names></name> <name><surname>Mandt</surname> <given-names>ME</given-names></name></person-group>. <article-title>Structure of thin current layers: implications for magnetic reconnection</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source>. (<year>1994</year>) <volume>73</volume>:<fpage>1251</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.73.1251</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">10057663</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B19">
<label>19.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Che</surname> <given-names>H</given-names></name> <name><surname>Drake</surname> <given-names>JF</given-names></name> <name><surname>Swisdak</surname> <given-names>M</given-names></name></person-group>. <article-title>A current filamentation mechanism for breaking magnetic field lines during reconnection</article-title>. <source>Nature</source> (<year>2011</year>) <volume>474</volume>:<fpage>184</fpage>&#x02013;<lpage>7</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nature10091</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">21633355</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B20">
<label>20.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Uzdensky</surname> <given-names>DA</given-names></name></person-group>. <article-title>Petschek-like reconnection with current-driven anomalous resistivity and its application to solar flares</article-title>. <source>Astrophys J</source>. (<year>2003</year>) <volume>587</volume>:<fpage>450</fpage>&#x02013;<lpage>7</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1086/368075</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B21">
<label>21.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Bychenkov</surname> <given-names>VY</given-names></name> <name><surname>Silin</surname> <given-names>VP</given-names></name> <name><surname>Uryupin</surname> <given-names>SA</given-names></name></person-group>. <article-title>Ion-acoustic turbulence and anomalous transport</article-title>. <source>Phys Rep</source>. (<year>1988</year>) <volume>164</volume>:<fpage>119</fpage>&#x02013;<lpage>215</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0370-1573(90)90122-I</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B22">
<label>22.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Rosner</surname> <given-names>R</given-names></name> <name><surname>Golub</surname> <given-names>L</given-names></name> <name><surname>Coppi</surname> <given-names>B</given-names></name> <name><surname>Vaiana</surname> <given-names>GS</given-names></name></person-group>. <article-title>Heating of coronal plasma by anomalous current dissipation</article-title>. <source>Astrophys J</source>. (<year>1978</year>) <volume>222</volume>:<fpage>317</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1086/156145</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B23">
<label>23.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Davidson</surname> <given-names>RC</given-names></name> <name><surname>Gladd</surname> <given-names>NT</given-names></name> <name><surname>Wu</surname> <given-names>CS</given-names></name> <name><surname>Huba</surname> <given-names>JD</given-names></name></person-group>. <article-title>Effects of finite plasma beta on the lower-hybrid-drift instability</article-title>. <source>Phys Fluids</source>. (<year>1977</year>) <volume>20</volume>:<fpage>301</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.861867</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B24">
<label>24.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Diamond</surname> <given-names>PH</given-names></name> <name><surname>Itoh</surname> <given-names>S-I</given-names></name> <name><surname>Itoh</surname> <given-names>K.</given-names></name></person-group> <source>Modern Plasma Physics: Physical Kinetics of Turbulent Plasmas</source>, Vol. 1. <publisher-loc>Cambridge, UK</publisher-loc>: <publisher-name>Cambridge University Press</publisher-name> (<year>2010</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B25">
<label>25.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Priest</surname> <given-names>E</given-names></name> <name><surname>Forbes</surname> <given-names>T.</given-names></name></person-group> <source>Magnetic Reconnection: MHD Theory and Applications</source>. <publisher-loc>Cambridge, UK</publisher-loc>: <publisher-name>Cambridge University Press</publisher-name> (<year>2007</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B26">
<label>26.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Asano</surname> <given-names>Y</given-names></name> <name><surname>Nakamura</surname> <given-names>R</given-names></name> <name><surname>Baumjohann</surname> <given-names>W</given-names></name> <name><surname>Runov</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>V&#x000F6;r&#x000F6;s</surname> <given-names>Z</given-names></name> <name><surname>Volwerk</surname> <given-names>M</given-names></name> <etal/></person-group>. <article-title>How typical are atypical current sheets?</article-title> <source>Geophys Res Lett</source>. (<year>2005</year>) <volume>32</volume>:<fpage>108</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1029/2004GL021834</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B27">
<label>27.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Zelenyi</surname> <given-names>LM</given-names></name> <name><surname>Malova</surname> <given-names>HV</given-names></name> <name><surname>Artemyev</surname> <given-names>AV</given-names></name> <name><surname>Popovc</surname> <given-names>VY</given-names></name> <name><surname>Petrukovich</surname> <given-names>AA</given-names></name></person-group>. <article-title>Thin current sheets in collisionless plasma: equilibrium structure, plasma instabilities, and particle acceleration</article-title>. <source>Plasma Phys Rep</source>. (<year>2011</year>) <volume>37</volume>: <fpage>118</fpage>&#x02013;<lpage>60</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1134/S1063780X1102005X</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B28">
<label>28.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ferraro</surname> <given-names>NM</given-names></name> <name><surname>Rogers</surname> <given-names>BN</given-names></name></person-group>. <article-title>Turbulence in low-beta reconnection</article-title>. <source>Phys Plasmas</source>. (<year>2004</year>) <volume>11</volume>:<fpage>4382</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.1776565</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">22681084</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B29">
<label>29.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Loureiro</surname> <given-names>NF</given-names></name> <name><surname>Schekochihin</surname> <given-names>AA</given-names></name> <name><surname>Uzdensky</surname> <given-names>DA</given-names></name></person-group>. <article-title>Plasmoid and kelvin-helmholtz instabilities in sweet-parker current sheets</article-title>. <source>Phys Rev E</source>. (<year>2013</year>) <volume>87</volume>:<fpage>013102</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.87.013102</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">23410441</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B30">
<label>30.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Fujimoto</surname> <given-names>K</given-names></name> <name><surname>Sydora</surname> <given-names>RD</given-names></name></person-group>. <article-title>Plasmoid-induced turbulence in collisionless magnetic reconnection</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source>. (<year>2012</year>) <volume>109</volume>:<fpage>265004</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.109.265004</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">23368574</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B31">
<label>31.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Rosenbluth</surname> <given-names>MN</given-names></name> <name><surname>Dagazian</surname> <given-names>RY</given-names></name> <name><surname>Rutherford</surname> <given-names>PH</given-names></name></person-group>. <article-title>Nonlinear properties of the internal m&#x0003D; 1 kink instability in the cylindrical tokamak</article-title>. <source>Phys Fluids</source>. (<year>1973</year>) <volume>16</volume>:<fpage>1894</fpage>&#x02013;<lpage>902</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.1694231</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B32">
<label>32.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Zakharov</surname> <given-names>VE</given-names></name> <name><surname>Sagdeev</surname> <given-names>RZ</given-names></name></person-group>. <article-title>Spectrum of acoustic turbulence</article-title>. <source>Sov Phys Dokl</source>. (<year>1970</year>) <volume>15</volume>:<fpage>439</fpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B33">
<label>33.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Boozer</surname> <given-names>AH</given-names></name></person-group>. <article-title>Ohm&#x00027;s law for mean magnetic fields</article-title>. <source>J Plasma Phys</source>. (<year>1986</year>) <volume>35</volume>:<fpage>133</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1017/S0022377800011181</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B34">
<label>34.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Bhattacharjee</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Hameiri</surname> <given-names>E</given-names></name></person-group>. <article-title>Self-consistent dynamolike activity in turbulent plasmas</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source>. (<year>1986</year>) <volume>57</volume>:<fpage>206</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.57.206</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">10033748</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B35">
<label>35.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kadomtsev</surname> <given-names>BB.</given-names></name></person-group> <source>Plasma Turbulence</source>. <publisher-loc>New York, NY</publisher-loc>: <publisher-name>Academic Press</publisher-name> (<year>1965</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B36">
<label>36.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Guo</surname> <given-names>ZB</given-names></name> <name><surname>Diamond</surname> <given-names>PH</given-names></name> <name><surname>Wang</surname> <given-names>XG</given-names></name></person-group>. <article-title>Magnetic reconnection, helicity dynamics, and hyper-diffusion</article-title>. <source>Astrophys J</source>. (<year>2012</year>) <volume>757</volume>:<fpage>173</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0004-637X/757/2/173</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B37">
<label>37.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ren</surname> <given-names>Y</given-names></name> <name><surname>Yamada</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Ji</surname> <given-names>H</given-names></name> <name><surname>Gerhardt</surname> <given-names>SP</given-names></name> <name><surname>Kulsrud</surname> <given-names>R</given-names></name></person-group>. <article-title>Identification of the electron-diffusion region during magnetic reconnection in a laboratory plasma</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source>. (<year>2008</year>) <volume>101</volume>:<fpage>085003</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.101.085003</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">18764626</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B38">
<label>38.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Zhong</surname> <given-names>JY</given-names></name> <name><surname>Li</surname> <given-names>YT</given-names></name> <name><surname>Wang</surname> <given-names>XG</given-names></name> <name><surname>Wang</surname> <given-names>JQ</given-names></name> <name><surname>Dong</surname> <given-names>QL</given-names></name> <name><surname>Xiao</surname> <given-names>CJ</given-names></name> <etal/></person-group>. <article-title>Modeling loop-top X-ray source and reconnection outflows in solar flares with intense lasers</article-title>. <source>Nat Phys</source> (<year>2010</year>) <volume>6</volume>:<fpage>984</fpage>&#x02013;<lpage>7</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nphys1790</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B39">
<label>39.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Rogers</surname> <given-names>BN</given-names></name> <name><surname>Denton</surname> <given-names>RE</given-names></name> <name><surname>Drake</surname> <given-names>JF</given-names></name> <name><surname>Shay</surname> <given-names>MA</given-names></name></person-group>. <article-title>Role of dispersive waves in collisionless magnetic reconnection</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source>. (<year>2001</year>) <volume>87</volume>:<fpage>195004</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.87.195004</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">11690418</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B40">
<label>40.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Boldyrev</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Horaites</surname> <given-names>K</given-names></name> <name><surname>Xia</surname> <given-names>Q</given-names></name> <name><surname>Perez</surname> <given-names>JC</given-names></name></person-group>. <article-title>Toward a theory of astrophysical plasma turbulence at subproton scales</article-title> <source>Astrophys J</source>. (<year>2013</year>) <volume>777</volume>:<fpage>41</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0004-637X/777/1/41</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B41">
<label>41.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Singh</surname> <given-names>N</given-names></name></person-group>. <article-title>Evolution of an electron current layer prior to reconnection onset</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source>. (<year>2012</year>) <volume>109</volume>:<fpage>145001</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0004-637X/777/1/41</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">23083250</pub-id></citation>
</ref>
</ref-list>
<app-group>
<app>
<title>Appendix</title>
<sec>
<title>Linear CDIA instability with a weak mean electric field</title>
<p>Constitutive equations for CDIA with a mean electric field are</p>
<disp-formula id="E34"><label>(A1)</label><mml:math id="M34"><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E35"><label>(A2)</label><mml:math id="M35"><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E36"><label>(A3)</label><mml:math id="M36"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Equation (A1) is the 1D kinetic equation for electron. Equations (A2) and (A3) are ion&#x00027;s continuity and momentum equation, separately. In deriving the dispersion relation, we write all quantities into a mean piece and a fluctuation piece, i.e., <inline-formula><mml:math id="M109"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <italic>E</italic> &#x0003D; &#x02329;<italic>E</italic>&#x0232A; &#x0002B; <inline-formula><mml:math id="M110"><mml:mover accent='true'><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>.</p>
<p><inline-formula><mml:math id="M111"><mml:mover accent='true'><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sub><italic>e</italic></sub> is composed by a adiabatic part, <inline-formula><mml:math id="M112"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and a non-adiabatic, <italic>g</italic>. Thus, putting <inline-formula><mml:math id="M113"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> into Equation (A1) yields the evolution equation for <italic>g</italic></p>
<disp-formula id="E37"><label>(A4)</label><mml:math id="M37"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>The characteristic equations of Equation (A4) are</p>
<disp-formula id="E38"><label>(A5)</label><mml:math id="M38"><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>;</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E39"><label>(A6)</label><mml:math id="M39"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>And their solutions are
<disp-formula id="E40"><label>(A7)</label><mml:math id="M40"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E41"><label>(A8)</label><mml:math id="M41"><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
where <italic>x</italic>(0) &#x0003D; <italic>x</italic> and <italic>v</italic>(0) &#x0003D; <italic>v</italic>. Then the Green function of Equation (A4) is obtained as</p>
<disp-formula id="E42"><label>(A9)</label><mml:math id="M42"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>The RHS of Equation (A9) can be seen as Laplace transformation of <inline-formula><mml:math id="M114"><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, i.e., <inline-graphic xlink:href="fphy-03-00018-i0001.tif"/>.</p>
<p>Using the formula,
<graphic xlink:href="fphy-03-00018-e0001.tif"/>
where <inline-formula><mml:math id="M115"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M116"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <italic>S</italic>(<italic>p</italic>), <italic>C</italic>(<italic>p</italic>) are <italic>Fresnel</italic> functions, one obtains <italic>G</italic>(&#x003C9;<sub><italic>k</italic></sub>, <italic>k</italic>) in the weak mean field limit, <inline-formula><mml:math id="M117"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0226A;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,</p>
<disp-formula id="E43"><label>(A11)</label><mml:math id="M43"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>By Equations (A4) and (A11), the Fourier component of <italic>g</italic> is</p>
<disp-formula id="E44"><label>(A12)</label><mml:math id="M44"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>If the weak mean electric field tens to zero, <inline-formula><mml:math id="M118"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the conventional non-adiabatic response is recovered [<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B24">24</xref>]. Then the total response of electron is</p>
<disp-formula id="E45"><label>(A13)</label><mml:math id="M45"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>The response of ions&#x00027; density is obtained from Equations (A2) and (A3)</p>
<disp-formula id="E46"><label>(A14)</label><mml:math id="M46"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Using the quasi-neutrality condition, growth rate &#x003B3;<sup><italic>CDIA</italic></sup><sub><italic>k</italic></sub> of the CDIA is obtained as
<disp-formula id="E47"><label>(A15)</label><mml:math id="M47"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>e</mml:mi><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
where the critical point(&#x003B3;<sup><italic>CDIA</italic></sup><sub><italic>k</italic></sub> &#x0003D; 0) is slightly shifted by the mean electric field, but the basic structure of &#x003B3;<sup><italic>CDIA</italic></sup><sub><italic>k</italic></sub> is not changed.</p>
</sec>
</app>
</app-group>
</back>
</article>
