コヒーレント構造

コヒーレント構造（coherent structures）とは、乱流プラズマ中で、背景の不規則な揺らぎよりも長い相関長と寿命をもち、渦や塊として空間的に識別できる構造のことである。磁気閉じ込め核融合プラズマのエッジ乱流や太陽風、部分磁化プラズマなど、広範な磁化プラズマ乱流で観測され、乱流による粒子・熱輸送、とりわけ間欠的な輸送イベントの本体であると考えられている。図は、密度イベントを条件付き平均したポロイダル断面の密度揺らぎ分布であり、青と橙の塊が時間遅れとともに移動・変形する様子が示されている。

図に見られるように、構造は単一の渦としてではなく、正負の密度変化が対になった二重渦的な形をとることがあり、この位相構造が輸送の符号と大きさを決める。

コヒーレント構造とは何か

乱流とは本来、多数の自由度が互いに無相関に揺らぐ状態を指すが、実際のプラズマ乱流では、非線形過程が特定の空間パターンを長時間維持することがある。これがコヒーレント構造である。磁化プラズマでは、密度揺らぎと電位揺らぎが電場を介して強く結合しており、例えばドリフト波乱流では密度の塊がそのまま電位の構造、ひいては E × B 渦として現れる。構造の空間スケールは乱流の最不安定モードの波長程度から、プラズマ断面のかなりの部分を覆う大規模なものまで及ぶ。単純磁化トーラスでの条件付き平均観測では、構造はポロイダル断面内を周期およそ100 μsで回転しながら時間発展することが示されている。