シア・アルフヴェン波

シア・アルフヴェン波（shear Alfvén wave）とは、磁場の力線に沿って伝わるアルフヴェン波のうち、磁力線を「曲げて（bending）」伝わる分極を持つ基本モードであり、磁気閉じ込めプラズマ中で最も重要な大規模波動の一つである。プラズマを貫く磁力線は弦のように張っており、イオンの質量が「重り」として働くため、弦の振動と同じく横波が伝わる。その伝播速度はアルフヴェン速度 v_A = B/√(μ₀ρ)（B は磁場強度、ρ は質量密度）で与えられ、核融合プラズマでは典型的に数千 km/s に達する。この波は、圧力勾配駆動のバルーニング不安定など高周波の磁気流体（MHD）不安定とは異なり、主としてエネルギー粒子（アルファ粒子や中性粒子入射による高速イオン）との共鳴相互作用を通じて燃焼プラズマの性能を左右するため、トカマクやヘリアカル装置で最も広く研究されてきた波動現象である。

基本物理とアルフヴェン連続スペクトル

シア・アルフヴェン波の本質は、波の電場がイオンと電子を磁力線方向に異なるように動かすことにあり、その結果、磁力線自身が振動の「弦」として振る舞う。理想 MHD ではこの波は非圧縮性で、プラズマ圧力をほとんど変化させずに伝わる。磁場が一様で無限に長い系では、周波数は波数に比例して ω = k_∥ v_A という単純な分散関係を持ち、任意の周波数が許される。

しかし実際の閉じ込め装置では、磁場の強さも密度も位置によって変化するため、各磁力線（各半径位置）ごとに固有の局所アルフヴェン周波数 ω_A(r) = k_∥(r) v_A(r) が定まり、これを半径方向に並べたものがアルフヴェン連続スペクトル（Alfvén continuum）である。連続スペクトル上の周波数の波は、共鳴面でエネルギーを連続体に吸収されて強く減衰する。さらにトカマクのトロイダル幾何では、内側と外側で磁場強度が異なるため、同じ周波数でもポロイダルモード数 m の異なる二つの連続スペクトル分岐が存在し、それらが交差する場所に「トロイダルギャップ」と呼ばれる周波数の隙間が生じる。このギャップの中に局在できる離散固有モードがトロイダルアルフヴェン固有モード（TAE）であり、減衰が弱いためエネルギー粒子の駆動を受けやすい。ヘリカルな磁場配置を持つ装置では、同様の機構で「ヘリカルギャップ」が形成され、そこに固有モードが現れる。ギャップ構造と連続スペクトルの分岐の関係を示したのが次の図であり、ポロイダルモード数 m の異なる分岐が交差してギャップが開く様子が分かる。