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在“磁分形面”上的温度和密度的“跳变”是诱发H模的基础。但是物理量的“跳变”导致delta函数奇异性(d-function singularity)。由磁流体(Magnetohydrodynamics,MHD)平衡条件grad p=jXB/c可以知道,温度和密度的“跳变”导致“磁分形面”上垂直该面的压强梯度dp/dr趋向(负的)无穷大。因为托卡马克磁场是有限值,所以直接的结果是在“磁分形面”上环向电流趋向无穷大!
这个图像是我们理解H模和台基区物理的基本图像。等离子体所的L所长有一句口头禅:我就关心零级量问题。这个就是H模的零阶量问题。
“跳变”和奇异性都是数学。不是物理上的奇异性。凡是物理问题有奇异性的地方,都是因为我们讨论这个问题时所使用的近似在该处“失效”了,或者有我们不知道的新物理。引入了合适的物理,这个奇异性就可以“resolved”。【参见笔者关于奇异性的文章和关于磁重联的文章】
在这里,我们在磁流体近似下“丢掉”的物理就是离子的有限Larmor半径效应。
——考虑了离子的有限Larmor半径效应,温度和密度的“跳变”变成了温度和密度的“台基”;
——在磁流体近似下平衡无穷大压强梯度的电流奇异性成为支持这个台基的在台基宽度范围的环向电流片;(笔者几年前就认为存在这样的电流分布,最近在DIIID上观察到这个电流片的迹象。)
——所以研究台基区物理过程,至少要用双流体(two-fluid)近似,或者“回旋流体”(gyro-fluid)近似;(目前可以跨“磁分形面”的大规模数值模拟程序里,BOUT正在发展这两种版本。)
——所以台基宽度的特征尺度一定是离子回旋半径的尺度。
在这个尺度下,电子是强磁化的,跟着磁力线运动。而离子做回旋运动时,一半在封闭磁力线区,一半在开放磁力线区。到了开放磁力线区就很容易沿着磁力线“输运”到偏滤器区。这必然造成“磁分形面”区的电荷分离层,形成垂直分形面的静电场,这就是H模物理中常说的Er! 这个场导致EXB剪切流——主流的H模理论认为这是引起“边缘输运垒(Edge Transport Barrier, ETB)的原因,而ETB是导致台基的原因。而笔者的“非主流”观点是:分形面(+芯部加热+边界低再循环)是导致台基+Er的原因,而台基在MHD时空尺度靠电流片支撑,在输运的时空尺度才靠ETB来平衡内外的热流!
这个图像自洽、简单、清晰。而主流观点对Er的产生机制尚没有明确的结论。目前的理论认为是边界湍流自组织的结果。但是具体的物理过程还是众说纷纭。
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GMT+8, 2024-5-24 00:08
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