音響モード

音響モード（geodesic acoustic mode、GAM）とは、トカマクやヘリアカル装置などのトーラス型磁気閉鎖プラズマにおいて観測される、磁気面にほぼ一様な軸対称（トーラス方向モード数 n = 0）の振動流である。プラズマの回転振動であり、乱流が駆動するゾーナルフローの振動的な分枝にあたる。名称は、モードの復元力が音波と同じプラズマの圧縮性に由来しながら、その圧縮がトーラスの「測地線曲率」によって生じることにちなむ。1968年にウィンザー（Winsor）がモデルCステラレータで観測された振動の説明として提案したのが始まりで、1990年代以降の乱流・ゾーナルフロー研究の進展とともに、閉鎖系プラズマの輸送制御という観点から中心的な研究対象となった。

定義と物理機構

トーラス型閉鎖装置の磁力線は、環の内側で短く外側で長いという幾何学的な事情から、磁気面上で測地線として曲がりながら回る。この測地曲率が本モードの鍵である。磁場と垂直な方向の電場による E×B 漂移流がポロイダル方向に振動すると、磁力線に沿った方向の運動成分が生じるが、測地曲率のためこの流れはプラズマを圧縮する。圧縮によって圧力擾乱が生じ、それを緩和する平行流が応答するというのが基本サイクルである。

静止型のゾーナルフロー（周波数ほぼ零）では平行流が圧力擾乱を完全に相殺できるが、音響モードでは振動が速すぎて相殺が間に合わない。その結果、流れ自身は磁気面上で一様（ポロイダル・トーラス方向のモード数 m = n = 0）でありながら、これに線形結合した上下非対称の圧力・密度擾乱（m = ±1、いわゆるサイドバンド）が伴う。このサイドバンドがさらに m = 1 のイオン音波や磁気擾乱と結合する。つまり音響モードとは、トーラス固有の測地曲率による圧縮性を復元力とする、ゾーナルフローの圧縮性振動なのである。

図は、ダイバータ配置のトカマク断面における音響モードのポロイダル構造の模式図である。緑で示した一様な垂直流（m = 0）、赤で示した上下非対称の圧力擾乱（m = ±1）、青で示した上下・内外に非対称な磁場擾乱（m = ±2）が、互いに位相をそろえて振動する様子が描かれている。この理想的なモード構造は実験でも確認されており、音響モードを他の揺動と区別する際の基本の目安となる。