プラズマ中の波

プラズマ物理学において、プラズマ中の波動は、周期的に繰り返される粒子と場の相互接続された集合体です。プラズマは準中性で導電性のある流体です。最も単純なケースでは、電子と1種類の正イオンで構成されますが、負イオンや中性粒子を含む複数のイオン種を含むこともあります。プラズマは導電性であるため、電場と磁場と結合します。この粒子と場の複合体は、多様な波動現象を支えています。

プラズマ中の電磁場は、静的／平衡部分と振動／摂動部分の2つの部分から構成されると仮定されます。プラズマ中の波は、振動磁場の有無によって電磁波と静電波に分類できます。ファラデーの電磁誘導の法則を平面波に適用すると、となり、静電波は純粋に縦波でなければならないことが示されます。一方、電磁波は横波成分を必ず持ちますが、部分的に縦波である場合もあります。 ${\displaystyle \mathbf {k} \times {\tilde {\mathbf {E} }}=\omega {\tilde {\mathbf {B} }}}$

波動は、振動する種によってさらに分類できます。対象となるプラズマのほとんどにおいて、電子温度はイオン温度と同等かそれ以上です。この事実と、電子の質量がはるかに小さいこととを合わせると、電子はイオンよりもはるかに速く移動することを意味します。電子モードは電子の質量に依存しますが、イオンは無限に質量を持つ、つまり静止していると仮定できます。イオンモードはイオンの質量に依存しますが、電子は質量がなく、ボルツマンの法則に従って瞬時に再分布すると仮定されます。下側混成振動など、モードが電子とイオンの質量の両方に依存することはまれです。

様々なモードは、非磁化プラズマ中を伝播するか、定常磁場に対して平行、垂直、または斜めに伝播するかによっても分類できます。最後に、垂直な電磁電子波の場合、摂動を受ける電場は定常磁場に対して平行または垂直になります。

基本的なプラズマ波の要約

電磁気特性	振動種	条件	分散関係	名前
静電	電子	${\displaystyle \mathbf {B} _{0}=0}$ または${\displaystyle \mathbf {k} \Parallel \mathbf {B} _{0}}$	${\displaystyle \omega^{2}=\omega_{p}^{2}+3k^{2}v_{\text{th}}^{2}}$	プラズマ振動（またはラングミュア波）
		${\displaystyle \mathbf {k} \perp \mathbf {B} _{0}}$	${\displaystyle \omega^{2}=\omega_{p}^{2}+\omega_{c}^{2}=\omega_{h}^{2}}$	上層混成振動
	イオン	${\displaystyle \mathbf {B} _{0}=0}$ または${\displaystyle \mathbf {k} \Parallel \mathbf {B} _{0}}$	${\displaystyle \omega^{2}=k^{2}v_{s}^{2}=k^{2}{\frac {\gamma_{e}k_{\text{B}}T_{e}+\gamma_{i}k_{\text{B}}T_{i}}{M}}}$	イオン音波
		${\displaystyle \mathbf {k} \perp \mathbf {B} _{0}}$ （ほぼ）	${\displaystyle \omega^{2}=\Omega_{c}^{2}+k^{2}v_{s}^{2}}$	静電イオンサイクロトロン波
		${\displaystyle \mathbf {k} \perp \mathbf {B} _{0}}$ （まさに）	${\displaystyle \omega^{2}={\left[{\left(\Omega_{c}\omega_{c}\right)}^{-1}+\omega_{i}^{-2}\right]}^{-1}}$	低域混成振動
電磁波	電子	${\displaystyle \mathbf {B} _{0}=0}$	${\displaystyle \omega^{2}=\omega_{p}^{2}+k^{2}c^{2}}$	光波
		${\displaystyle \mathbf {k} \perp \mathbf {B} _{0}}$ 、${\displaystyle \mathbf {E}_{1}\parallel \mathbf {B}_{0}}$	${\displaystyle {\frac {c^{2}k^{2}}{\omega^{2}}}=1-{\frac {\omega_{p}^{2}}{\omega^{2}}}}$	O波
		${\displaystyle \mathbf {k} \perp \mathbf {B} _{0}}$ 、${\displaystyle \mathbf {E} _{1}\perp \mathbf {B} _{0}}$	${\displaystyle {\frac {c^{2}k^{2}}{\omega^{2}}}=1-{\frac {\omega_{p}^{2}}{\omega^{2}}}\,{\frac {\omega^{2}-\omega_{p}^{2}}{\omega^{2}-\omega_{h}^{2}}}}$	X波
		${\displaystyle \mathbf {k} \Parallel \mathbf {B} _{0}}$ （右旋回極）	${\displaystyle {\frac {c^{2}k^{2}}{\omega^{2}}}=1-{\frac {\omega_{p}^{2}/\omega^{2}}{1-(\omega_{c}/\omega)}}}$	R波（ホイッスラーモード）
		${\displaystyle \mathbf {k} \Parallel \mathbf {B} _{0}}$ （左円弧）	${\displaystyle {\frac {c^{2}k^{2}}{\omega ^{2}}}=1-{\frac {\omega _{p}^{2}/\omega ^{2}}{1+(\omega _{c}/\omega )}}}$	L波
	イオン	${\displaystyle \mathbf {B} _{0}=0}$		なし
		${\displaystyle \mathbf {k} \Parallel \mathbf {B} _{0}}$	${\displaystyle \omega^{2}=k^{2}v_{A}^{2}}$	アルヴェン波
		${\displaystyle \mathbf {k} \perp \mathbf {B} _{0}}$	${\displaystyle {\frac {\omega^{2}}{k^{2}}}=c^{2}\,{\frac {v_{s}^{2}+v_{A}^{2}}{c^{2}+v_{A}^{2}}}}$	磁気音波

• ${\displaystyle \omega}$ 波の周波数
• ${\displaystyle k}$ -波数、
• ${\displaystyle c}$ -光速、
• ${\displaystyle \omega_{p}}$ -プラズマ周波数​​、
• ${\displaystyle \omega_{i}}$ - イオンプラズマ周波数​​、
• ${\displaystyle \omega_{c}}$ -電子ジャイロ周波数、
• ${\displaystyle \Omega_{c}}$ -イオンジャイロ周波数、
• ${\displaystyle \omega_{h}}$ -上位ハイブリッド周波数、
• ${\displaystyle v_{s}}$ -プラズマの「音」速度、
• ${\displaystyle v_{A}}$ -プラズマアルヴェン速度

(下付き文字の 0 は電場または磁場の静的部分を示し、下付き文字の 1 は振動部分を示します。)

参照

• 磁気流体波
• アップルトン・ハートリー方程式
• プラズモン
• 表面プラズモン共鳴
• 電子航跡
• 波動記事索引
• Waves (Juno) (木星探査機搭載の宇宙船計器)
• プラズマ波サブシステム（ボイジャー探査機搭載機器）

参考文献

• スワンソン、DG 『プラズマ波』（2003年）。第2版
• スティックス、トーマス・ハワード.プラズマの波(1992).
• チェン、フランシス F.プラズマ物理学と制御核融合入門、第 2 版 (1984)。