Chapman-Enskog 等离子体的动力学稳定性

在本文中，我们研究经典碰撞等离子体的动力学稳定性——即组成粒子的平均自由程 $\lambda$ 相对于等离子体中场和宏观运动变化的长度尺度 $L$ 较短，且碰撞时间相对于演化时间较短的等离子体。由于此类等离子体的分布函数接近麦克斯韦分布，通常用流体方程来描述。对麦克斯韦分布的微小偏离通过 $\lambda/L \ll 1$ 下的 Chapman-Enskog (CE) 展开计算，并决定等离子体中的宏观动量和热流。这种计算只有在底层 CE 分布函数在无碰撞长度尺度和/或时间尺度上稳定时才有效。我们发现，在足够高的等离子体 $\beta$ 下，CE 分布函数可能在很宽的尺度范围内遭受众多微观不稳定性。对于磁化等离子体中出现的某种特定形式的 CE 分布函数，我们给出了所有显著微观不稳定性的详细解析表征，包括峰值增长率及其相关波数。特别值得注意的是发现了几种新的微观不稳定性，包括一种在亚电子拉莫尔尺度（‘低语不稳定性’）的不稳定性，其在某些参数区间内的增长率相对于其他不稳定性较大。我们的方法使我们能够根据 $\lambda$、电子惯性尺度 $d_e$ 和 $\beta$ 构建经典双组分碰撞等离子体的动力学稳定性图。这项工作具有普遍意义，它强调了高-$\beta$ 碰撞等离子体可能具有动力学不稳定性这一事实；对于强磁化 CE 等离子体，不稳定性条件为 $\beta > L/\lambda$。在这种情况下，通过标准 CE 方法确定输运系数是无效的。