Much of plasma behaviour is governed by multiple distinct nonlinear processes, operating on a wide range of lengthscales and timescales, that are coupled together in innumerable feedback loops. Capturing and quantifying this nonlinear behaviour is crucial at all levels of description, ranging from individual events to global phenomenology. In recent years, a range of techniques derived from complex systems science has been applied successfully to nonlinear plasma datasets. The present paper reviews several of these techniques in the context of applications spanning fusion, space, solar and astrophysical plasmas. Topics include non-Gaussian probability density functions, notably extreme event distributions in fusion and astrophysics and power law distributions in the solar context; differencing and rescaling of fluctuation data, which has yielded information on the number of dominant plasma turbulent processes, and the spatiotemporal ranges over which they operate, in plasmas ranging from microquasar accretion discs to L-mode and dithering H-mode fusion plasmas in the MAST tokamak; quantitative measures of mutual information content and pattern repetition between causally linked but spatiotemporally separated nonlinear events in solar wind and magnetospheric plasmas; global statistics of full-disc solar irradiance; and ELMing, considered as a sequence of pulsed events, in H-mode fusion plasmas in the JET tokamak. These developments in nonlinear plasma data characterization provide fresh additional insights into the underlying plasma physics. They also provide new opportunities for comparing models with data, and with each other, and open avenues for the development of a more rigorous predictive capability in this field.
プラズマ挙動の多くは、広範な長さスケールと時間スケールにわたって作用する複数の異なる非線形過程によって支配されており、それらは無数のフィードバックループを通じて結合している。この非線形挙動を捕捉し定量化することは、個々の事象から全体的な現象論に至るまでのすべての記述レベルにおいて極めて重要である。近年、複雑系科学に由来する一連の手法が非線形プラズマデータセットに適用され、成功を収めている。本論文では、核融合、宇宙、太陽、天体物理プラズマにわたる応用の文脈において、これらの手法のいくつかを概説する。対象となるトピックには、非ガウス型確率密度関数、特に核融合および天体物理における極端事象分布と太陽文脈におけるべき乗則分布が含まれる。また、変動データの差分およびリスケーリングにより、支配的なプラズマ乱流過程の数と、それらが作用する時空間範囲に関する情報が得られるが、その適用例はマイクロクエーサー降着円盤からMASTトカマクにおけるLモードおよびディザリングHモード核融合プラズマにまで及ぶ。さらに、太陽風および磁気圏プラズマにおける因果的に結合しながら時空間的に分離した非線形事象間の相互情報量とパターン反復の定量的尺度、全円盤太陽放射照度の大域的統計、ならびにJETトカマクにおけるHモード核融合プラズマのパルス事象列としてのELM解析についても論じる。非線形プラズマデータ特性評価におけるこれらの発展は、基礎となるプラズマ物理への新たな洞察を提供する。また、モデルとデータの比較、およびモデル間の相互比較の新たな機会をもたらし、この分野におけるより厳密な予測能力の開発への道を開くものである。