The self-consistent nonlinear interaction of drift waves (DWs) and zonal flow (ZF) is investigated using nonlinear gyrokinetic theory, with both spontaneous excitation and beat-driving of ZF by DWs treated on the same footing. DW solitons are formed in nonlinear DW–ZF interactions and are confined between radially spaced micro-barriers induced by spontaneously excited ZF (SZF). The resulting radial structures in nonlinear DW–ZF interactions exhibit a similar pattern to the 'staircase' observed in numerical simulations. These micro-barriers are generated by the repulsive response due to SZF, which, as a general property demonstrated in this work, also generates an attractive nonlinear potential in the DW equation. Meanwhile, the nonlinear potential due to beat-driven ZF is always attractive and, as such, always serves as a potential well to contribute to soliton formation. For SZF from initial noise, the simultaneous excitation of solitons and micro-barriers is found to be universal due to the zero-frequency nature of ZF and the spatial structure of the Reynolds stress. The present analysis thus provides a potential first-principles-based interpretation of the staircase observed in simulations, which may contribute to the formation of micro transport barriers and enhance plasma confinement.
ドリフト波(DW)と帯状流(ZF)の自己無撞着な非線形相互作用を、非線形ジャイロ運動論を用いて調べた。ここでは、DWによるZFの自発励起とビート駆動の両方を同等に扱う。DWソリトンは非線形DW–ZF相互作用において形成され、自発励起帯状流(SZF)によって誘起される、径方向に間隔を置いたマイクロバリアの間に閉じ込められる。非線形DW–ZF相互作用における結果として得られる径方向構造は、数値シミュレーションで観測される「staircase」と類似のパターンを示す。これらのマイクロバリアは、SZFによる斥力応答によって生成されるが、この応答は、本研究で示される一般的性質として、DW方程式において引力性の非線形ポテンシャルも生成する。一方、ビート駆動ZFによる非線形ポテンシャルは常に引力性であり、したがって常にポテンシャル井戸として機能し、ソリトン形成に寄与する。初期ノイズからのSZFについては、ZFのゼロ周波数的性質とレイノルズ応力の空間構造により、ソリトンとマイクロバリアの同時励起が普遍的であることが見出される。したがって、本解析は、シミュレーションで観測されるstaircaseに対する第一原理に基づく可能性のある解釈を提供し、これは微視的輸送障壁の形成に寄与し、プラズマ閉じ込めを向上させる可能性がある。