We present a highly accurate tool for the simulation of shear Alfvén waves (SAWs) in collisionless plasma. SAW are important in space plasma environments because for small perpendicular scale lengths they can support an electric field parallel to the ambient magnetic field. Electrons can be accelerated by the parallel electric field and these waves have been implicated as the source of vibrant auroral displays. However, the parallel electric field carried by SAW is small in comparison with the perpendicular electric field of the wave, making it difficult to measure directly in the laboratory, or by satellites in the near-Earth plasma environment. In this paper, we present a simulation code that provides a means to study in detail the SAW–particle interaction in both space and laboratory plasma. Using idealized, small-amplitude propagating waves with a single perpendicular wavenumber, the simulation code accurately reproduces the damping rates and parallel electric field amplitudes predicted by linear theory for varying temperatures and perpendicular scale lengths. We present a rigorous kinetic derivation of the parallel electric field strength for small-amplitude SAW and show that commonly used inertial and kinetic approximations are valid except for where the ratio of thermal to Alfvén speed is between 0.7 and 1.0. We also present nonlinear simulations of large-amplitude waves and show that in the cases of strong damping, the damping rates and parallel electric field strength deviate from linear predictions when wave energies are greater than only a few per cent of the plasma kinetic energy, a situation which is often observed in the magnetosphere. The drift-kinetic code provides reliable, testable predictions of the parallel electric field strength which can be investigated directly in the laboratory, and will help to bridge the gap between studies of SAW in man-made and naturally occurring plasma.
我々は、無衝突プラズマ中のシアー・アルフヴェン波（SAW）のシミュレーションのための高精度ツールを提示する。SAWは、小さな垂直スケール長において周囲の磁場に平行な電場を支えることができるため、宇宙プラズマ環境において重要である。電子は平行電場によって加速され得、これらの波は活発なオーロラ現象の源として関与しているとされてきた。しかしながら、SAWによって運ばれる平行電場は、波の垂直電場と比較して小さいため、実験室や地球近傍のプラズマ環境において衛星によって直接測定することは困難である。本論文では、宇宙プラズマと実験室プラズマの両方におけるSAW–粒子相互作用を詳細に研究する手段を提供するシミュレーションコードを提示する。理想化された小振幅の伝播波と単一の垂直波数を用いることで、このシミュレーションコードは、様々な温度と垂直スケール長に対して、線形理論によって予測される減衰率と平行電場振幅を正確に再現する。我々は、小振幅SAWに対する平行電場強度の厳密な運動論的導出を行い、熱速度とアルフヴェン速度の比が0.7から1.0の間にある場合を除いて、一般的に用いられる慣性近似と運動論的近似が有効であることを示す。さらに、大振幅波の非線形シミュレーションも提示し、強い減衰の場合において、波のエネルギーがプラズマの熱エネルギーのわずか数パーセントを超えると、減衰率と平行電場強度が線形予測から逸脱することを示す。この状況は磁気圏においてしばしば観測される。ドリフト運動論コードは、実験室で直接調査可能な平行電場強度の信頼性が高く検証可能な予測を提供し、人工プラズマと自然発生プラズマにおけるSAWの研究の間のギャップを埋めるのに役立つであろう。