基本介紹
- 中文名：阿爾文波
- 外文名：Alfvén wave
- 別稱：剪下阿爾文波
- 領域：物理
- 屬性：磁流體力學波、橫波
- 預言者：漢尼斯·阿爾文
簡介,發展歷史,基本原理,阿爾文波的相關運算,動力學阿爾文波,阿爾文波的首個預言者,
簡介
阿爾文波（Alfvén wave），又稱剪下阿爾文波，是電漿中的一種沿磁場方向傳播的波，這種波的頻率遠低於電漿的迴旋頻率，是一種線偏振的低頻橫波。處在磁場中的導電流體在垂直於磁場的方向上受到局部擾動時，沿著磁感線方向的磁張力提供恢復力，就會激發阿爾文波。阿爾文波是由瑞典物理學家漢尼斯·阿爾文首先預言的，因此得名。
阿爾文波是振動方向與傳播方向垂直的橫波。根據宇宙磁流體力學原理﹐磁雷諾數很大﹐在某種意義上可以看作磁力線凍結在物質上一起運動﹐流體好像黏附在磁力線上﹐可以把磁力線視作質量等於每一根磁力線em>B /4 ﹐因此﹐可以把磁力線比作彈性弦﹐磁力線的波動傳播可以看作與弦線的振動傳播十分類似。
阿爾文波的優點是頻率低，其頻率範圍大致在1MHz~10MHz間，且對電漿參數變化不敏感，同時耦合效率高，技術條件比較成熟，實驗上已經觀察到了共振現象和加熱效果。
發展歷史
眾所周知電漿可以被視作為良導體，而在早期普遍認為電磁波是無法在導體中廣泛存在的，直到1942年瑞典的物理學家H.Alfvén 在研究宇宙電動力學中首先在理論上發現的一種能沿磁場方向傳播磁流體力學波，它是一種的橫波，稱之為阿爾文波，如圖1所示。
圖1 阿爾文波的物理圖像
圖1 阿爾文波的物理圖像後來隆德奎斯特（Lundquist）使用1特斯拉左右的磁場在水銀中觀察到了阿爾文波，列納爾特（Lehnert）使用液態鈉也證實了阿爾文波的存在。2009年女皇大學的兩位教授米哈利斯·馬史奧得基斯（Mihalis Mathioudakis）和戴維·傑斯（David Jess）使用位於加那利群島的瑞典太陽望遠鏡，發現了太陽存在有“阿爾文波”，終於能夠很好地揭示了已經困擾科學家很久的有關太陽大氣外層溫度很高，而太陽大氣內層溫度相對於太陽大氣外層溫度很低的問題，即太陽大氣內低溫外高溫的問題。
基本原理
阿爾文波的基本原理是：在非均勻電漿中，若滿足下式條件：
阿爾文波便被激發，其中，
是阿爾文波的頻率，
表示離子迴旋頻率。由磁流體理論可知，剪下阿爾文波從外部天線中激發後的傳播方向與磁場方向是平行的，無法達到電漿芯部的高密度區域。然而共振面上的剪下阿爾文波通過吸收能量而產生模式轉變成動力阿爾文波，之後便能傳播至電漿的中心區域，粒子便能吸收動力阿爾文波的能量而產生加熱效果。
阿爾文波的相關運算
阿爾文波的色散關係為：
這樣的波稱為斜阿爾文波。θ=0時是沿著磁感線的方向傳播的，稱為阿爾文波。此時阿爾文波的相速度為：
稱為阿爾文速度，其中
是電漿的磁導率，
是離子的密度。在垂直於磁感線的方向上阿爾文波不能傳播。
動力學阿爾文波
動力學阿爾文波是短波長的色散阿爾文波，其色散主要是由於垂直波長接近離子迴旋半徑或電子慣性長度等微觀粒子動力學特徵尺度而引起的。在頻率遠低於離子迴旋頻率的低頻條件下，其平行波長通常仍然遠大於離子慣性長度，這導致動力學阿爾文波在電磁偏振和傳播方向上呈現顯著各向異性的重要特性，並因此使其在磁電漿的粒子能化現象和結構絲化現象中起重要作用。
動力學阿爾文波早期於1970年代由Chen和Hasegawa研究聚變電漿加熱問題時首先提出。隨後，在1980年代受到空間電漿、特別是電離層-磁層耦合與極光現象研究的廣泛關注。進入1990年代後，由於在空間衛星探測技術和地面電漿實驗技術的不斷發展，特別是一些高分辨空間電漿探測儀器和地面大型電漿實驗設備投入工作以來，在動力學阿爾文波的實驗研究上取得了一系列突破性的重要進展。這不僅導致對動力學阿爾文波在磁電漿動力學現象中重要作用的重新估價和正視，並再次激發了對動力學阿爾文波理論及其在實驗室、空間和天體環境下各類電漿活動現象中套用研究的廣泛興趣。
阿爾文波的首個預言者
漢尼斯·奧洛夫·哥斯達·阿爾文（Hannes Olof Gösta Alfvén，1908年5月30日－1995年4月2日），瑞典電漿物理學家、天文學家，初時為工程師，後來轉為研究及教授等離子學及電子工程。漢尼斯·阿爾文致力於磁流體動力學領域的研究，其成果被廣泛套用天體物理學、地質學等學科。1970年諾貝爾物理學獎得主。
阿爾文1908年出生於瑞典的北雪平，1926年進入烏普薩拉大學就讀，1934年獲得該校博士學位。而後阿爾文在烏普薩拉大學和斯德哥爾摩的諾貝爾物理學院教授物理學課程，1940年起擔任斯德哥爾摩皇家理工學院教授。1967年，阿爾文移居美國，在加州大學聖地牙哥分校和南加州大學執教。1991年退休，退休時是加利福尼亞大學聖迭哥分校的電機工程教授和皇家工學院的電漿物理教授。退休後來往於加利福尼亞州和瑞典之間。1995年逝世，終年87歲。
阿爾文最初從事電學儀器的理論和實驗工作，1930年代後期開始研究宇宙尺度上的電場和電流系統，以及宇宙線的起源問題。1940年代末，阿爾文開始將磁流體動力學套用於天體物理學，研究了太陽黑子、天體磁場起源、行星際電漿的性質，提出了電漿宇宙學，並且倡導太陽系起源於電磁作用的學說。
阿爾文性格幽默，興趣廣泛，參加過包括國際裁軍運動在內的眾多社會活動。他還在科學史、東方哲學、宗教方面有一定研究，並且通曉瑞典語、英語、德語、法語、俄語，還會講一些西班牙語和漢語。阿爾文和他的妻子柯爾斯頓（Kirsten）生育了1個兒子4個女兒，兒子成為醫生，一個女兒成為作家，一個女兒成為律師。
為紀念他，第1778號小行星被命名為“阿爾文”。
