王晓钢
关于等离子体中的波、不稳定性、及湍流 精选
2011-5-13 20:58
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标签:不稳定性, 湍流, 等离子体波

 

在等离子体物理中,对于波的研究一直占据着核心地位。

 

波是等离子体中最基本的运动形式。等离子体中不稳定性和湍流都是波的性质的不同体现。

 

波的本质是介质中(比如等离子体)某种扰动模式的时空传播。只不过等离子体中波的理论强调模式的传播性质;而等离子体不稳定性的理论强调模式的增长(衰减)性质而已。

 

因为等离子体是多时空尺度、多自由度的多粒子体系,所以存在着大量的运动模式。而等离子体中存在的可以激发这些模式的自由能是有限的。如果这些自由能集中驱动某一个快尺度模式,则这个模式会很快增长起来,我们看到的是该模式相应的不稳定性。如果有两个或者几个模式被自由能所驱动的时间尺度相互接近,则这两个或者少数几个模式之间会呈此消彼长的局面,我们看到的是“双模竞争”或者“少模竞争”。如果这些快尺度的不稳定性都被稳定了,则有限的自由能被很多模式所分配,这些模式都可能被激发但是都长不大,我们可以看到一个具有一定宽度的谱带。如果这个谱带很窄,则我们可以用波包或者准线性理论来处理。如果谱的分布很宽,那么就成为湍流。

 

等离子体湍流区别于流体湍流的主要点在于等离子体中存在各种不同的波——不仅有类似流体力学波的“声波”,而且有各种静电波和电磁波。即使是所谓“声波”,本质上也是一种静电波——离子声波。而且在磁场存在的情况下,“声波”分为两个分支:“快磁声波”(简称“快波”)和“慢磁声波”(简称“慢波”)。以致其形成的激波也相应地分为“快激波”(Fast Shock)和“慢激波”(Slow Shock)。所以不同于流体湍流,等离子体湍流是根据不同的波来划分的:比如最著名的聚变等离子体中的“漂移波湍流”(drift wave turbulence),空间等离子体中的“阿尔芬波湍流”(Alfvén wave turbulence),以及“朗谬尔波湍流”(Langmuir wave turbulence),“离子声波湍流”(Ion acoustic wave turbulence)等等。当然我们也经常省略了“波”字(因为都是对应不同的波),简称“阿尔芬湍流”、“朗谬尔湍流”、“离子声湍流”等等(但“漂移波湍流”不可以简称“漂移湍流”)。这些湍流有着完全不同的物理性质——静电的或电磁的、各向同性的或各向异性的,其k-空间(波数空间)谱分布的幂指数率(power law)也因此各不相同。而它们之间的相互作用就更加复杂。因此,等离子体湍流的研究非常具有挑战性,一直是等离子体物理学乃至湍流的数学与物理理论研究的前沿。

 

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