The premise of investigating basic plasma phenomena relevant to space is that an alliance exists between both basic plasma physicists, using theory, computer modelling and laboratory experiments, and space science experimenters, using different instruments, either flown on different spacecraft in various orbits or stationed on the ground. The intent of this special issue on interrelated phenomena in laboratory and space plasmas is to promote the interpretation of scientific results in a broader context by sharing data, methods, knowledge, perspectives, and reasoning within this alliance. The desired outcomes are practical theories, predictive models, and credible interpretations based on the findings and expertise available. Laboratory-experiment papers that explicitly address a specific space mission or a specific manifestation of a space-plasma phenomenon, space-observation papers that explicitly address a specific laboratory experiment or a specific laboratory result, and theory or modelling papers that explicitly address a connection between both laboratory and space investigations were encouraged. Attention was given to the utility of the references for readers who seek further background, examples, and details.With the advent of instrumented spacecraft, the observation of waves (fluctuations), wind (flows), and weather (dynamics) in space plasmas was approached within the framework provided by theory with intuition provided by the laboratory experiments. Ideas on parallel electric field, magnetic topology, inhomogeneity, and anisotropy have been refined substantially by laboratory experiments. Satellite and rocket observations, theory and simulations, and laboratory experiments have contributed to the revelation of a complex set of processes affecting the accelerations of electrons and ions in the geospace plasma. The processes range from meso-scale of several thousands of kilometers to micro-scale of a few meters to kilometers. Papers included in this special issue serve to synthesise our current understanding of processes related to the coupling and feedback at disparate scales. Categories of topics included here are (1) ionospheric physics and (2) Alfvén-wave physics, both of which are related to the particle acceleration responsible for auroral displays, (3) whistler-mode triggering mechanism, which is relevant to radiation-belt dynamics, (4) plasmoid encountering a barrier, which has applications throughout the realm of space and astrophysical plasmas, and (5) laboratory investigations of the entire magnetosphere or the plasma surrounding the magnetosphere. The papers are ordered from processes that take place nearest the Earth to processes that take place at increasing distances from Earth.Many advances in understanding space plasma phenomena have been linked to insight derived from theoretical modeling and/or laboratory experiments. Observations from space-borne instruments are typically interpreted using theoretical models developed to predict the properties and dynamics of space and astrophysical plasmas. The usefulness of customized laboratory experiments for providing confirmation of theory by identifying, isolating, and studying physical phenomena efficiently, quickly, and economically has been demonstrated in the past. The benefits of laboratory experiments to investigating space-plasma physics are their reproducibility, controllability, diagnosability, reconfigurability, and affordability compared to a satellite mission or rocket campaign. Certainly, the plasma being investigated in a laboratory device is quite different from that being measured by a spaceborne instrument; nevertheless, laboratory experiments discover unexpected phenomena, benchmark theoretical models, develop physical insight, establish observational signatures, and pioneer diagnostic techniques. Explicit reference to such beneficial laboratory contributions is occasionally left out of the citations in the space-physics literature in favor of theory-paper counterparts and, thus, the scientific support that laboratory results can provide to the development of space-relevant theoretical models is often under-recognized.It is unrealistic to expect the dimensional parameters corresponding to space plasma to be matchable in the laboratory. However, a laboratory experiment is considered well designed if the subset of parameters relevant to a specific process shares the same phenomenological regime as the subset of analogous space parameters, even if less important parameters are mismatched. Regime boundaries are assigned by normalizing a dimensional parameter to an appropriate reference or scale value to make it dimensionless and noting the values at which transitions occur in the physical behavior or approximations. An example of matching regimes for cold-plasma waves is finding a 45° diagonal line on the log--log CMA diagram along which lie both a laboratory-observed wave and a space-observed wave. In such a circumstance, a space plasma and a lab plasma will support the same kind of modes if the dimensionless parameters are scaled properly (Bellan 2006 Fundamentals of Plasma Physics (Cambridge: Cambridge University Press) p 227).The plasma source, configuration geometry, and boundary conditions associated with a specific laboratory experiment are characteristic elements that affect the plasma and plasma processes that are being investigated. Space plasma is not exempt from an analogous set of constraining factors that likewise influence the phenomena that occur. Typically, each morphologically distinct region of space has associated with it plasma that is unique by virtue of the various mechanisms responsible for the plasma's presence there, as if the plasma were produced by a unique source. Boundary effects that typically constrain the possible parameter values to lie within one or more restricted ranges are inescapable in laboratory plasma. The goal of a laboratory experiment is to examine the relevant physics within these ranges and extrapolate the results to space conditions that may or may not be subject to any restrictions on the values of the plasma parameters.The interrelationship between laboratory and space plasma experiments has been cultivated at a low level and the potential scientific benefit in this area has yet to be realized. The few but excellent examples of joint papers, joint experiments, and directly relevant cross-disciplinary citations are a direct result of the emphasis placed on this interrelationship two decades ago. Building on this special issue Plasma Physics and Controlled Fusion plans to create a dedicated webpage to highlight papers directly relevant to this field published either in the recent past or in the future. It is hoped that this resource will appeal to the readership in the laboratory-experiment and space-plasma communities and improve the cross-fertilization between them.
宇宙に関連する基礎プラズマ現象を研究する前提は、理論モデリング、計算機実験、および実験室実験を用いる基礎プラズマ物理学者と、様々な軌道上の異なる宇宙機に搭載された異なる機器、あるいは地上に設置された機器を用いる宇宙科学実験者との間の連携が存在することである。実験室プラズマと宇宙プラズマにおける相互に関連する現象に関する本特集号の意図は、この連携の中でデータ、方法、知識、および推論を共有することにより、科学的成果のより広い文脈での解釈を促進することである。望まれる成果は、得られた知見と専門知識に基づく実用的な理論、予測モデル、および信頼性のある解釈である。特定の宇宙ミッションまたは特定の宇宙プラズマ現象の顕在化に明示的に対処する実験室実験論文、特定の実験室実験または特定の実験室結果に明示的に対処する宇宙観測論文、ならびに実験室と宇宙の両方の研究の間の関連に明示的に対処する理論またはモデリング論文が奨励された。さらなる背景、事例、および詳細を求める読者のために、参考文献の有用性に注意が払われた。 機器を搭載した宇宙機の出現により、宇宙プラズマにおける波動（変動）、流れ（流束）、および現象（動態）の観測は、実験室実験によって提供される直感に基づく理論的枠組みを用いて取り組まれるようになった。平行電場、磁気不均一性、および非等方性に関する概念は、実験室実験によって大幅に洗練されてきた。衛星およびロケット観測、シミュレーション、ならびに実験室実験は、地球周辺の宇宙プラズマにおける電子およびイオンの加速に影響を与える複雑な一連の過程の解明に貢献してきた。これらの過程は、数千キロメートルのメソスケールから数メートルのマイクロスケールまで及ぶ。本特集号に収録された論文は、異なるスケールでの結合とフィードバックに関連する現在の理解を統合するのに役立つ。ここで扱われる主題のカテゴリーは、(1) 電離圏物理学、(2) オーロラ粒子加速に関連するアルフヴェン波物理学、(3) 放射線帯ダイナミクスに関連するホイッスラーモードトリガリング機構、(4) 宇宙および天体プラズマの広範な領域に応用されるプラズモイドの障壁との遭遇、および (5) 磁気圏全体あるいはその周辺プラズマの実験室研究である。論文は、地球に最も近い過程から地球から遠ざかる過程の順に配列されている。 宇宙プラズマ現象の理解における多くの進歩は、理論的モデリングおよび/または実験室実験から得られた洞察と結び付けられてきた。宇宙機搭載機器による観測は、通常、宇宙および天体プラズマの特性とダイナミクスを予測するために開発された理論モデルを用いて解釈される。物理現象を効率的に、迅速に、かつ経済的に特定、分離、および研究することによる理論の確認のための、カスタマイズされた実験室実験の有用性は、過去に実証されてきた。宇宙プラズマ物理学の研究に対する実験室実験の利点は、その再現性、制御可能性、診断可能性、再構成可能性、ならびに衛星ミッションやロケットキャンペーンと比較した場合の費用対効果である。もちろん、実験室装置内のプラズマは、宇宙機搭載機器によって測定されるプラズマとはかなり異なる。それにもかかわらず、実験室実験は、予期しない現象を発見し、理論モデルのベンチマークを行い、物理的洞察を発展させ、観測的特徴を確立し、そして新しい診断技術の先駆けとなる。このような有益な実験室的貢献への明示的な言及が、理論論文を優先する形で、宇宙物理学の引用文献から時折省略されることがある。その結果、実験室結果が宇宙関連の理論モデルの発展に提供できる科学的支援は、しばしば十分に認識されていない。 宇宙プラズマに対応する次元パラメータが実験室で完全に一致することを期待することは非現実的である。しかしながら、特定の過程に関連するパラメータのサブセットが、対応する宇宙パラメータのサブセットと同じ現象論的領域を共有する場合、重要でないパラメータが一致しなくても、実験室実験は適切に設計されていると見なされる。領域境界は、次元パラメータを適切な基準値またはスケール値で正規化して無次元化し、物理的挙動または近似において遷移が発生する値を特定することによって割り当てられる。冷プラズマ波動に関する領域一致の例は、log-log CMA図上で45°の対角線を見つけることであり、これに沿って実験室で観測された波動と宇宙で観測された波動の両方が存在する。このような状況では、無次元パラメータが適切にスケーリングされていれば、宇宙プラズマと実験室プラズマは同じ種類のモードを支持する（Bellan 2006, Fundamentals of Plasma Physics, Cambridge: Cambridge University Press, p. 227）。 特定の実験室実験に関連するプラズマ源、構成形状、および境界条件は、調査対象のプラズマおよびプラズマ過程に影響を与える特徴的な要素である。宇宙プラズマもまた、発生する現象に同様に影響を与える類似の制約要因の影響を受けないわけではない。典型的には、宇宙空間の各形態学的に異なる領域には、その領域におけるプラズマの存在に関与する様々な機構によって特徴づけられる独自のプラズマが関連している。実験室プラズマにおいて、可能なパラメータ値を一つまたは複数の限定された範囲に制約する境界効果は避けられない。実験室実験の目標は、これらの範囲内で関連する物理を検証し、その結果を、プラズマパラメータの値に制限がある場合もない場合もある宇宙条件に外挿することである。 実験室実験と宇宙実験の間の相互関係は、これまで低いレベルで育成されてきたに過ぎず、この分野における潜在的な科学的利益はまだ実現されていない。しかし、この相互関係の重視が20年前に始まったことにより、共同論文、共同実験、および直接的な学際的引用の優れた例が少数ながら存在する。この特集号に基づいて、Plasma Physics and Controlled Fusion は、最近または将来に発表されたこの分野に直接関連する論文を強調する専用ウェブページを創設する計画である。このリソースが、実験室実験コミュニティと宇宙プラズマコミュニティの両方の読者に訴求し、それらの間の相互交流を改善することが期待される。