弱碰撞等离子体中平行消防水带不稳定性与回旋热不稳定性的非线性理论

弱碰撞等离子体动态地产生相对于磁场的压力各向异性。这些各向异性在略大于离子拉莫尔半径 ρ_i 且远小于平均自由程 λ_{mfp} 的尺度上触发等离子体不稳定性。其增长率约为离子回旋频率的几分之一——远快于全局动力学或局部湍流。这些不稳定性显著改变了输运性质，从而改变了等离子体的宏观动力学。它们的非线性演化将压力各向异性推向由等离子体 β_i 控制的边际稳定状态。本文针对最简单的解析可处理例子——平行消防水带不稳定性——详细推导了这种非线性演化。在非线性区域，解析理论和数值解都预测了磁涨落的长期增长。它们发展出一个 k^{-3} 谱，范围从略大于 ρ_i 的尺度延伸到随时间长期增长（~t^{1/2}）的最大尺度；相对压力各向异性 (⊥ - ∥)/∥ 趋向于边际值 -2/β_i。边际状态是通过磁场变化而非粒子散射实现的。当存在平行离子热流时，消防水带不稳定性转变为新的回旋热不稳定性（GTI），该不稳定性在压力各向异性达到消防水带稳定值（可为正值且受热流限制）时仍持续存在。GTI 的非线性演化也表现为磁涨落的长期增长，但其谱最终由尺度约为 ρ_i l_T/λ_{mfp} 的模主导，其中 l_T 是平行温度变化的尺度。本文推测了其对动量和热输运的影响。本研究受星系团等离子体动力学启发。