生活在地球上，我們知道物質(zhì)有三態(tài)：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。但是，似乎從來沒有說過極光、閃電等自然現(xiàn)象中到底存在什么東西？或是是由什么物質(zhì)狀態(tài)構(gòu)成的？最多只是說有電子、離子等，更細(xì)致的似乎也說不清。但是，放眼整個宇宙空間，幾乎所有的可見物質(zhì)都是“第四態(tài)”，稱之為等離子體（plasma），在太陽大氣的敘述中提到電離度的概念，可以看出其與環(huán)境溫度成正相關(guān)、與密度成反相關(guān)。雖然等離子體整體呈現(xiàn)的是“中性”，即正負(fù)電荷平衡，但又不像物質(zhì)基本的三態(tài)無導(dǎo)電性，其“電性”遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過“中性”，所以稱之為“電中性”（“準(zhǔn)中性”），而其又具有流體的性質(zhì)，也有“電漿”一說，要研究它，就需要考慮其為磁流體。在具體敘述之前，必須要掌握的一些關(guān)于等離子體的“集體行為”表現(xiàn)形式：等離子體振蕩、德拜屏蔽、準(zhǔn)中性與響應(yīng)時間。

對等離子體進(jìn)行考量，由于其本身存在電子和質(zhì)子，考慮電子溫度與質(zhì)子溫度相同的情況下，由于電子質(zhì)量下，其熱運動速度要明顯快于質(zhì)子，所以可以將電子拉出到一定的距離后，在此間電子和離子均可以做振蕩運動，來維持體系的“準(zhǔn)中性”，從而可以得到等離子體振蕩頻率，也稱作朗繆爾頻率，它是電子振蕩頻率和離子振蕩頻率之和，具體過程可參看圖1。

另外，等離子體有一種消除內(nèi)部靜電場的趨勢，這種效應(yīng)是帶電粒子通過改變其空間位置的組合而產(chǎn)生的，由此而得到相關(guān)的德拜半徑，而以此半徑可以形成的球體稱為德拜球，具體可參看圖2和圖3。從圖3中，也能看出德拜球內(nèi)的電子數(shù)目必須要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過1，將此作為等離子體的判據(jù)之一。

因此，由德拜球引出的準(zhǔn)中性與響應(yīng)時間可以看出“準(zhǔn)”集中在其體系允許微量的電荷漲落，存在一定的動態(tài)過程，與之對應(yīng)的便有時間尺度，而且對“電中性”也較為敏感。從空間上來看，等離子體系的尺度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于德拜球的尺度，而時間上要考慮其體系必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電子熱速度能達(dá)到電子德拜尺度的時間，這兩個也是等離子體的判據(jù)，如圖4。

通常，還要理解庫倫碰撞及其碰撞頻率，如圖5-7。

對于圖7中紅色框框出的疑問，這是由于粒子的隨機(jī)游走（Random Walk）決定的，類似的如圖8。

知道了什么是等離子體，其中，還有一個重要的概念——溫度。溫度是微觀體系的宏觀表現(xiàn)，用來衡量熱平衡體系的冷熱程度，擁有統(tǒng)計學(xué)意義，實際運用中也會用eV來表示溫度，一般近似的替換關(guān)系有。

最開始，也提到了等離子其實處處可見，將其在以密度為橫坐標(biāo)、logT為縱坐標(biāo)的圖中標(biāo)志出一些關(guān)鍵的天體或者自然現(xiàn)象，不難看出其基本分布在等離子體判據(jù)線之上，如圖9。

那么，既然有這些等離子體的存在，又該如何研究它呢？首先，需要區(qū)分的是研究的對象是單個電荷還是集體行為，所引起的輻射分別稱為非相干輻射（韌致輻射、回旋輻射、躍遷輻射等）、相干輻射（平行磁場電子束激發(fā)、磁鏡結(jié)構(gòu)損失錐的電子速度分布激發(fā)、電子回旋脈澤輻射等）。因此，對等離子體的數(shù)學(xué)描述通常有四種，如圖10：單粒子軌道理論、粒子模擬（Particle Simulation）、磁流體力學(xué)（MagnetoHydro-Dynamics）、動理學(xué)（Kinetic Theory）。

在實際運用中，通常基于單粒子軌道理論，這一部分也是建立在高中物理知識的框架下可引申得到的部分結(jié)果。從質(zhì)子單一受力模式出發(fā)，考慮恒定磁場下，其垂直方向做回旋運動，平行方向沿著分量運動。而在實際過程中，往往不是那么理想的狀態(tài)，考慮疊加恒定電場E，其做引導(dǎo)中心的漂移運動，整體相當(dāng)于做擺線，類似于空間中局地電離的離子被太陽風(fēng)拾起的過程；而在有梯度的磁場中和緩慢變化的磁場中，其分別有梯度漂移和曲率漂移；緩慢變化的電場中其也會有相應(yīng)的極化漂移。根據(jù)粒子受力情況，則所有的漂移速度和方向都可以用此式來表示：。

同時，存在梯度的磁場或者緩慢變化的磁場中，有三個不變量，分別是：橫向不變量（磁矩）、縱向不變量（）和磁通不變量（）。對于地球上存在的強偶極磁場，其上粒子運動存在三種周期運動，包括回旋運動（）、鏡點反彈運動（可以將偶極磁場看成磁鏡，兩端磁場強度強、中間磁場強度弱，存在一定的條件可以讓其中的粒子來回彈跳，）、漂移運動（）。

由于粒子模擬仍然是基于磁流體力學(xué)和動理學(xué)的一些內(nèi)容，在此模塊不做具體討論，感興趣的可以單獨再學(xué)習(xí)《計算等離子體物理》。接下來，主要介紹基于流體力學(xué)結(jié)合麥克斯韋方程組導(dǎo)出的磁流體力學(xué)方程組。

受到任何微小剪切力作用都能連續(xù)變形的物體稱之為流體，其顧名思義具有易變形、易壓縮、富有粘性的性質(zhì)，而粘性體現(xiàn)在不同的物質(zhì)狀態(tài)下有所不同。譬如：分子內(nèi)聚力（液體）、分子動量交換（氣體）。而對于其宏觀參量描述包括：密度、速度、壓強和溫度，從微觀熱力學(xué)統(tǒng)計上來看，又可以有零階矩（質(zhì)量守恒）、一階矩（動量守恒）、二階矩（能量守恒）。從而分別對應(yīng)連續(xù)性方程、動量方程和能量方程，進(jìn)而結(jié)合物質(zhì)的狀態(tài)方程和邊界條件即可給出形式解。

同時考慮等離子體粒子的運動和電磁場的演化，將其考慮為流體的方程組稱之為磁流體力學(xué)，主要關(guān)心的是尺度大、隨時間變化慢的區(qū)域，不適用于不同區(qū)域的交界處、物理間斷面和快過程。因此其給出的四組方程結(jié)合麥克斯韋方程組給出八個參量的八個方程，可以得到相關(guān)的形式參量解。

但在實際過程中，通常針對研究區(qū)域需要對MHD方程組進(jìn)行理想化，即去除一些可以暫時忽略的項，從而得到一般形式上的理想MHD方程組，如圖11：

基于此，可以通過微擾法、做單色波假設(shè)下的FFT變換（），從而可以得到只保留速度擾動的色散關(guān)系：

。

其有兩組解，分別對應(yīng)不可壓縮的剪切阿爾芬波（橫波）；冷等離子體下的可壓縮阿爾芬波（縱橫混合）、快磁聲波、慢磁聲波。而根據(jù)實際觀測結(jié)果的特征分類，總結(jié)有下表：

而對于進(jìn)一波考慮雙元流體的運動分析，結(jié)合考慮磁化或非磁化（背景磁場為0）、靜電場（波矢平行電場）或電磁場（波矢垂直電場）等離子體，其波動特性就更加豐富，詳細(xì)可以參考陳耀老師的《等離子體物理學(xué)基礎(chǔ)》一書的相關(guān)整理。

• 非磁化靜電場：高頻分支是電子朗繆爾波（電子等離子體波）；低頻近似是離子聲波和離子朗繆爾波（離子等離子體波）。

• 非磁化電磁場：高頻電磁波（橫波），截止頻率是電子朗繆爾振蕩頻率。

• 磁化靜電場：波矢平行于背景場即退化為非磁化靜電場；波矢垂直于背景場，高頻為高雜波，低頻為低雜波和靜電離子回旋波。

• 磁化電磁場（考慮冷等離子體）：波矢平行于背景場，高頻包括左旋的離子回旋波（圓偏振橫波）和右旋的電子回旋波（圓偏振橫波）或哨聲波，低頻極限是剪切阿爾芬波；波矢垂直于背景場，對于電場平行于背景場為尋常模（線偏振波），電場垂直于背景場為異常模（橢圓偏振波）。

在這里，需要注意的是朗繆爾波的頻率一般包括等離子體的朗繆爾振蕩頻率和對應(yīng)聲波的頻率，因為等離子體的振蕩頻率是本身的固有屬性，不是波傳播的特性，只有外界條件存在時，隨著外界條件的變化一起被攜帶傳播。

波動特性的研究主要基于衛(wèi)星探測的磁場數(shù)據(jù)，無論是根據(jù)小波分析、HT分析、SVD分析、MVA分析等方法，都是為了得到較為準(zhǔn)確的波動特征頻率段特征和存在的偏振特性（重要的分析方法的算法原理也在此文集相應(yīng)模塊有具體闡述）。這里討論的波動都是在等離子體體系中的表現(xiàn)，在實際運用中如果發(fā)生了坐標(biāo)系變換，需要額外考慮多普勒效應(yīng)，從而波的頻率和偏振特性也有可能會發(fā)生相應(yīng)的改變。

除了運用MHD架構(gòu)，Stix（1962）從微觀的速度分布函數(shù)的角度出發(fā)推論相類似的結(jié)果，這種過程稱之為動理學(xué)過程。因此研究等離子體，既可以宏觀當(dāng)成流體考慮，也可以微觀看它的速度分布函數(shù)，但兩者都需要結(jié)合，不能單單只想著流體忽視了粒子的運動，也不能只考慮粒子的運動忘記了宏觀性質(zhì)。

總而言之，等離子體物理是一個覆蓋面極廣的學(xué)科，且在天體物理、行星際物理、實驗室物理等運用廣泛，而對它展開的研究自始至終都還是從研究者自身關(guān)注的切入點出發(fā)，進(jìn)而挖掘和豐富其中根本的物理過程。