Duncan Bryant is a retired space plasma physicist who spent mostof his career at the Rutherford-Appleton Laboratory in Oxfordshire, England. For manyyears he has been challenging a widely accepted theory, that auroral electronsare accelerated by double layers, on the grounds that it contains a fundamentalerror (allegedly, an implicit assumption that charged particles can gain energyfrom conservative fields). It is, of course, right that models of particleacceleration in natural plasmas should be scrutinized carefully in terms oftheir consistency with basic physical principles, and I believe that Dr Bryant hasperformed a valuable service by highlighting this issue. He maintains thatauroral electron acceleration by double layers is fundamentally untenable, andthat acceleration takes place instead via resonant interactions with lowerhybrid waves. In successive chapters, he asserts that essentially the same process canaccount for electron acceleration observed at the Earth's bow shock, in theneighbourhood of an `artificial comet' produced as part of the ActiveMagnetospheric Particle Explorers (AMPTE) space mission in 1984/85, in thesolar wind, at the Earth's magnetopause, and in the Earth's magneto-sphere. Theevidence for this is not always convincing: waves with frequencies of the order of thelower hybrid resonance are often observed in these plasma environments, but ingeneral it is difficult to identify clearly which wave mode is being observed(whistlers, for example, have frequencies in approximately the same range aslower hybrid waves). Moreover, it is not at all clear that the waves which areobserved, even if they were of the appropriate type, would have sufficientintensity to accelerate electrons to the extent observed. The author makes apersuasive case, however, that acceleration in the aurora, and in other plasmaenvironments accessible to in situ measurements, involves some formof wave turbulence.In Chapter 2 it is pointed out that the Debye number (the number ofparticles in a sphere of radius equal to the Debye length) is actually rather higher in thesolar wind and the Earth's magnetosphere than it is in any laboratoryplasma: in this sense space plasmas are more `ideal' than laboratory ones. Changes inmagnetic field topology occur in both the magnetosphere and tokamaks, butin the former case the term `magnetic reconnection' tends to be used only in asteady state context: temporary or sporadic changes in field topology at themagneto-sphere/magnetosheath boundary, for example, are described instead as`flux transfer events'. Reconnection in tokamaks, on the other hand, isgenerally regarded as an intrinsically time dependent process. Such subtledistinctions in terminology should be borne in mind by any fusion researchersreading this book.Dr Bryant's writing style is informal and often entertaining. A good example ofthis, from Chapter 3, is the following: ``Auroral arcs can be bright enough touse as a reading lamp, although it would be something of a waste to use it assuch, since the aurora is vastly more interesting than any document (even thisone).'' Chapter 3, indeed, is the best part of the book, covering as itdoes theauthor's principal area of expertise, namely the aurora. The author gives averyclear account of auroral phenomenology, in particular observations of auroralelectrons, before considering the merits of rival acceleration mechanisms.The approach is largely non-mathematical, with few equations: those that doappear are not numbered (it would have been better if they had been). It has tobe said that the author is not always rigorous or consistent. For example,acceleration a is first defined `in its most general sense' to be rate ofchange of speed, rather than velocity: thus, according to this definition,a = 0 in a static magnetic field. A few pages later, the same symbol is used todenote the modulus of the rate of change of velocity: this, of course, is finite in astatic magnetic field. Such elementary distinctions matter, because in order toaddress the issue of whether or not electrons are `accelerated' in static orquasi-static fields, one must first define unambiguously what `acceleration'means. It is stated in Chapter 2 that the Larmor radius of a particle isproportional to its magnetic rigidity divided by the magnetic field componentnormal to the particle trajectory. This, of course, is incorrect: it is theparticle's momentum component normal to the field which defines the Larmorradius. The book contains a number of statements which are eithermisleading or demonstrably incorrect. For example, at the end ofChapter 3, and again at the end of Chapter 4, neutral beam injection (NBI)in tokamaks is invoked as a precedent for lower hybrid wave excitation by cross-fielddrifts. Although it is true that lower hybrid waves can couple to energeticions in a tokamak, and could in principle be amplified by fusion alpha particles[see N.J. Fisch, J.-M. Rax, Phys. Rev. Lett. 69 (1992) 612], NBI has not, to the best of my knowledge, been used as a source of such waves.In Chapter 9, referring to solar flares, the author states that ``characteristic products of the accelerated electrons areX rays generated by synchrotron radiation in the remaining magneticfields''. In fact, flare accelerated electrons produce X rays via bremsstrahlung, themagnetic field and particle energies being such that synchrotron radiationoccurs at microwave frequencies instead (the more general term `gyrosynchrotronradiation' tends to be used by solar flare researchers, in recognition of thefact that the electrons producing the bulk of the emission are only mildlyrelativistic). Indeed, bremsstrahlung X rays and gyrosynchrotron microwavesprovide important sources of information on the distribution function offlare accelerated electrons, but the author makes only a brief mention of suchobservations, preferring to concentrate on direct measurements offlare accelerated electrons at the Earth's orbit, despite acknowledging thatuncertainties in propagation effects make it very difficult to reconstructconditions at the Sun from such measurements.Similar remarks apply to the final chapter, on acceleration of cosmic rayelectrons. Again, attention is focused almost exclusively on measurements ofparticles rather than the radiation signature of those particles, in this casesynchrotron radiation by ultrarelativistic electrons. No mention is made ofradio and X ray data, indicating that electrons with energies of up to around1014eV are being accelerated at shocks associated with shell typesupernova remnants. Interestingly, resonant acceleration of electrons by lowerhybrid waves has been invoked by A.A. Galeev [Sov. Phys.-JETP 59 (1984) 965] as a mechanism for the production of cosmic ray electrons: althoughGaleev's paper is not cited in this book, the process he describes is verysimilar to that proposed by Dr Bryant for electron acceleration in theaurora and other near Earth plasma environments.The book contains a number of physics errors. For example, on page 17 the timederivative of a magnetic field is equated to an induced electric field, ratherthan the curl of one. On page 21, the author invokes Larmor's formula for thepower radiated by a non-relativistic charged particle, and then combinesit with the relativistic relation between acceleration and energy to estimate themaximum acceleration rate. The book has also been badly proofread. For example,Figure 1.15 appears twice: where it is first used, on page 8, it is clear that theaccompanying caption and text refer to a different figure. I found severalerrors in the reference list (one of my own publications is cited as two separatepapers, with both citations containing inaccuracies). Having said that, thereference list is impressively comprehensive and eclectic. It includes, forexample, Swift's `Gulliver's Travels': a spacecraft in the magnetosphere iscompared to Gulliver in Brobdingnag, the magnetosphere being, in somerespects, a vastly scaled-up version of a laboratory plasma. The author measures particlemomentum in units of 10-21 Ns ≡ 1 zNs - not, I suspect,a unit used often by nuclear fusion researchers. There are many typographicalerrors (in addition to the physics errors noted above).At the end of the book listings are provided of three programs, written inQBasic (a PC compatible version of BASIC), which illustrate simple models of particledistribution evolution under various conditions, and in particular theformation of a bump-on-tail distribution when particles undergo random energy exchangeswith waves. These are instructive and illuminating, although it would have beenmore useful if diskettes had been provided with the book rather than hard copylistings. Questions and exercises are also included, again with the purpose ofillustrating the author's heterodox ideas regarding particle acceleration. Heasks, for example, what the accelerator of Newton's apple was: according to DrBryant, the obvious answer (`the Earth') is incorrect, since it was radiationfrom the Sun which raised the apple's material against the force of gravity inthe first place. The answer to the question depends, of course, on what onemeans by `acceleration': as I have discussed, the author is not whollyconsistent inhis definition of this term.This book will, inevitably, be of more interest to space plasma physicists thanto fusion researchers, although proponents of lower hybrid current drive intokamaks may be gratified to see evidence of a similar process playing animportant role in such a wide range of natural plasma environments. Despitesomeerrors, omissions and inconsistencies, there is no doubt that the bookprovides auseful record of Dr Bryant's valuable contributions to the study of electronacceleration in the aurora and elsewhere.
ダンカン・ブライアントは、引退した宇宙プラズマ物理学者であり、そのキャリアの大半をイギリス・オックスフォードシャーにあるラザフォード・アップルトン研究所で過ごした。彼は長年にわたり、オーロラ電子がダブル層によって加速されるという広く受け入れられた理論に、それが根本的な誤りを含んでいる（おそらく、荷電粒子が保存場からエネルギーを得ることができるという暗黙の仮定）という理由で異議を唱えてきた。もちろん、自然プラズマにおける粒子加速のモデルが、基本的な物理原理との整合性の観点から注意深く吟味されるべきであることは正しく、ブライアント博士がこの問題を提起したことは貴重な貢献であると私は考える。彼は、ダブル層によるオーロラ電子加速は根本的に成り立たず、加速は代わりに低混成波との共鳴的相互作用によって起こると主張している。続く章で、彼は本質的に同じ過程が、地球のバウショック、1984/85年のアクティブ磁気圏粒子探査（AMPTE）宇宙ミッションの一部として生成された「人工彗星」の近傍、太陽風、地球の磁気圏界面、そして地球の磁気圏において観測される電子加速を説明できると主張している。この証拠は必ずしも説得力があるわけではない。低混成共鳴のオーダーの周波数を持つ波動はこれらのプラズマ環境でしばしば観測されるが、一般にどの波動モードが観測されているのかを明確に特定することは困難である（例えば、ホイスラー波は低混成波とほぼ同じ周波数帯域を持つ）。さらに、観測される波動が仮に適切なタイプであったとしても、観測される程度まで電子を加速するのに十分な強度を持つかどうかはまったく明らかではない。しかし著者は、オーロラおよびその他のその場測定が可能なプラズマ環境における加速が、何らかの形の波動乱流を伴うという説得力のある議論を展開している。第2章では、デバイ数（デバイ長に等しい半径の球内の粒子数）が、太陽風や地球の磁気圏では実験室プラズマよりもかなり大きいことが指摘されている。この意味で、宇宙プラズマは実験室プラズマよりも「理想的」である。磁場トポロジーの変化は磁気圏とトカマクの両方で発生するが、前者の場合、「磁気リコネクション」という用語は定常状態の文脈でのみ使用される傾向がある。磁気圏界面/磁気シース境界での一時的または散発的な場のトポロジー変化は、代わりに「フラックス転移事象」と記述される。一方、トカマクにおけるリコネクションは、一般に本質的に時間依存の過程と見なされている。このような用語の微妙な区別は、この本を読む核融合研究者は心に留めておくべきである。ブライアント博士の文体はくだけていて、しばしば娯楽的ですらある。その良い例が第3章からの次の一節である。「オーロラアークは読書灯として使えるほど明るくなり得るが、オーロラはどんな文書（この本自身も含めて）よりもはるかに興味深いので、そのように使うのはある種の無駄であろう。」実際、第3章はこの本の最良の部分であり、著者の主たる専門分野であるオーロラを扱っている。著者は、競合する加速メカニズムの長所を検討する前に、オーロラ現象学、特にオーロラ電子の観測について非常に明確な説明を与えている。このアプローチは大部分が非数学的であり、方程式はほとんどない。現れる方程式には番号が付けられていない（付けられていれば良かったのだが）。著者は必ずしも厳密でも一貫性があるわけでもないと言わざるを得ない。例えば、加速度aは最初「最も一般的な意味で」速さの変化率として定義されている（速度ではなく）。したがって、この定義によれば、静磁場ではa = 0である。数ページ後、同じ記号が速度の変化率の絶対値を表すために使用されている。これはもちろん、静磁場では有限である。このような初歩的な区別は重要である。なぜなら、電子が静的または準静的な場で「加速される」かどうかという問題に取り組むには、まず「加速度」が何を意味するかを明確に定義しなければならないからである。第2章では、粒子のラーマー半径は、その磁気剛性率を粒子軌道に垂直な磁場成分で割ったものに比例すると述べられている。これはもちろん誤りである。ラーマー半径を定義するのは、場に垂直な粒子の運動量成分である。この本には、誤解を招く記述や明白に誤った記述が数多く含まれている。例えば、第3章の終わりと第4章の終わりに、トカマクにおける中性粒子ビーム入射（NBI）が、横断ドリフトによる低混成波励起の前例として引き合いに出されている。低混成波がトカマク内の高エネルギーイオンと結合し得ることは事実であり、原理的には核融合アルファ粒子によって増幅され得るが［N.J. Fisch, J.-M. Rax, Phys. Rev. Lett. 69 (1992) 612参照］、私の知る限り、NBIがそのような波動の源として使用されたことはない。第9章では、太陽フレアに言及して、著者は「加速された電子の特徴的な生成物は、残存磁場中でのシンクロトロン放射によるX線である」と述べている。実際には、フレアで加速された電子は制動放射によってX線を生成し、磁場と粒子エネルギーは、シンクロトロン放射が代わりにマイクロ波周波数で発生するようなものである（太陽フレア研究者の間では、放射の大部分を生成する電子がわずかに相対論的であるという事実を認識して、より一般的な用語である「ジャイロシンクロトロン放射」が使用される傾向がある）。実際、制動放射X線とジャイロシンクロトロンマイクロ波は、フレアで加速された電子の分布関数に関する重要な情報源を提供するが、著者はそのような観測に簡単に言及しているだけであり、地球軌道でのフレア加速電子の直接測定に焦点を当てることを好んでいる。伝播効果の不確実性により、そのような測定から太陽での条件を再構築することが非常に困難であることを認めているにもかかわらずである。同様のことが、宇宙線電子の加速に関する最終章にも当てはまる。ここでも、焦点はほぼ専ら粒子の測定に当てられており、粒子の放射シグネチャには当てられていない。この場合、超相対論的電子によるシンクロトロン放射である。電波およびX線データについては言及されておらず、殻型超新星残骸の衝撃波で、約10¹⁴eVまでのエネルギーを持つ電子が加速されていることを示している。興味深いことに、低混成波による共鳴的電子加速は、A.A.ガレエフ［Sov. Phys.-JETP 59 (1984) 965］によって宇宙線電子の生成メカニズムとして提唱されている。ガレエフの論文はこの本で引用されていないが、彼が記述した過程は、オーロラおよびその他の地球近傍プラズマ環境における電子加速についてブライアント博士が提案したものと非常に類似している。この本には多くの物理的誤りが含まれている。例えば、17ページでは、磁場の時間微分が誘導電場に等しいとされているが、実際には磁場の回転（curl）が誘導電場に等しいのである。21ページでは、著者は非相対論的荷電粒子によって放射される電力に対するラーモアの公式を援用し、それを加速度とエネルギーの間の相対論的関係と組み合わせて、最大加速率を推定している。この本はまた、校正が不十分である。例えば、図1.15が2回現れる。最初に使用される8ページでは、付随するキャプションと本文が別の図を参照していることが明らかである。私は参考文献リストにもいくつかの誤りを見つけた（私自身の出版物の一つが2つの別々の論文として引用されており、両方の引用に不正確さが含まれている）。とはいえ、参考文献リストは印象的に包括的で折衷的である。例えば、スウィフトの『ガリバー旅行記』が含まれている。磁気圏内の宇宙船は、磁気圏がある意味で実験室プラズマを巨大にスケールアップしたものであることから、ガリバーがブロブディングナグにいることに例えられている。著者は粒子運動量を10⁻²¹ Ns ≡ 1 zNsの単位で測定しているが、これは核融合研究者がよく使う単位ではないだろうと私は思う。上記の物理的誤りに加えて、多くの誤植がある。本書の終わりには、QBasic（BASICのPC互換版）で書かれた3つのプログラムのリストが提供されており、様々な条件下での粒子分布の時間発展、特に粒子が波動とランダムなエネルギー交換を行う際のバンプ・オン・テール分布の形成を例示している。これらは有益で啓発的であるが、ハードコピーのリストではなく、ディスケットが本に添付されていればより有用であっただろう。質問と演習問題も含まれており、これも著者の正統派から外れた粒子加速に関する考えを例示することを目的としている。例えば、彼はニュートンのリンゴの加速器は何であったかを問う。ブライアント博士によれば、明白な答え（「地球」）は誤りであり、リンゴの物質を重力に抗して持ち上げたのは太陽からの放射であったという。この問いへの答えは、もちろん、「加速度」によって何を意味するかに依存する。私が論じたように、著者はこの用語の定義において完全に一貫しているわけではない。この本は、必然的に、核融合研究者よりも宇宙プラズマ物理学者により大きな関心を持たれるであろう。とはいえ、トカマクにおける低混成波電流駆動の支持者たちは、同様の過程がこれほど広範囲の自然プラズマ環境で重要な役割を果たしているという証拠を見て満足するかもしれない。いくつかの誤り、省略、不整合があるにもかかわらず、この本がオーロラおよびその他の場所における電子加速の研究に対するブライアント博士の貴重な貢献の有用な記録を提供していることに疑いの余地はない。