等離子體物理學（Plasma Physics），是一門研究等離子體的形成及其各種性質和運動規律的物理學分支學科。
人類對等離子體的認識始于19世紀70年代，當時科學家們開始研究氣體放電管中的電離氣體。隨著“等離子體”這一名詞的引入，等離子體物理逐漸發展成為一個獨立的學科領域，并在20世紀30~50年代初創立了等離子體物理基本理論框架和描述方法。20世紀50年代后，等離子體物理學迅速發展，并確立獨立地位。該學科起初關注低溫氣體放電和電弧，后研究高溫等離子體、探索磁場作用下的受控熱核反應。
等離子體物理在多個領域具有廣泛的應用，包括受控核聚變、空間等離子體、等離子體天體物理和低溫等離子體。同時，等離子體物理學與天體物理學、原子物理學和空間物理學等學科密切相關。
研究對象
等離子體物理學是研究自由電子與電離原子所組成體系的行為，這類體系即為等離子體。
等離子體是帶電粒子和中性粒子組成的表現出集體行為的一種準中性氣體，宇宙中可見物質的99%都是以“等離子體”的形態存在。太陽風、星云、恒星內部、極光、熒光、火焰、霓虹燈等都是等離子體。在高溫或強電場作用下，氣體電離生成離子、電子及中性粒子，形成強電離化氣體。這種氣體正負電荷密度均衡，整體中性。等離子體中電磁力占主導，引發不同內部運動形態。等離子體物理學主要研究電磁場中，等離子體的導電、導熱、擴散、粘滯性、抗磁性、波的傳播等性質。
發展簡史
自19世紀以來，學者對于氣體放電、磁流體力學、天體物理學與空間物理學、受控熱核聚變、體溫等離子體技術應用等多方面的研究推動了等離子體物理學的發展。
起步時期
1762年，戈特弗里德·威廉（Gottfried Wilhelm）首次在旋轉的硫磺球中發現了人工條件下的電火花，初步揭示了氣體放電的奧秘。19世紀初俄羅斯的彼得洛夫發現了電弧放電。19世紀30年代，英國的邁克爾·法拉第（Michael Faraday）以及其后的約瑟夫·湯姆遜（Joseph John THOMSON）、約翰·西利·湯森（John Sealy Townsend）等人相繼研究氣體放電現象，被認為是等離子體實驗研究的起步時期。人類對等離子體的認識起源于19世紀70年代，當時是對氣體放電管中電離氣體進行研究。1879年，英國威廉·克魯克斯（William Crookes）首先在克魯克斯管中發現等離子體，并采用“物質第四態”這個名詞來描述氣體放電管中的電離氣體。
19世紀
1928年，美國歐文·朗繆爾（Irving Langmuir）首先引入“等離子體（Plasma）”這一名詞，等離子體物理學正式問世。1929年美國的劉易斯·唐克斯（Lewi Tonks）和莫特·史密斯（Harold Mott-Smith）與朗繆爾合作，指出了等離子體中電子密度的疏密波（即朗繆爾波）。在實驗中，朗繆爾將電子從熱離子絲中傳輸類比為“血漿攜帶紅色和白色小體和細菌的方式”，用“電漿”一詞來類比血液。
從20世紀30年代至50年代初，等離子體物理基本理論框架和描述方法得以建立，研究范圍從實驗室中的放電管擴展至電離層和某些天體的電離氣體。
1932年，英國愛德華·維克多·阿普爾頓（Edward Victor Appleton）用實驗證實奧利弗·赫維賽德（Oliver 亥維賽環形山）的假說——地球上空存在著能反射電磁波的電離層（1902年），并提出了電離層的折射率公式——英國的道格拉斯·哈特里（Douglas Rayner Hartree）于1931年同樣證實該公式，得到磁化等離子體的色散方程。1941年，英國的西德尼·查普曼（Sidney Chapman）和文森佐·費拉羅（Vincenzo Ferraro）認為太陽會發射出高速帶電粒子流，粒子流會把地磁場包圍，并使它受壓縮而變形。
等離子體的速度分布函數服從福克-馬克斯·普朗克方程（Fokker–Planck equation）。在1936年，蘇聯列夫·達維多維奇·朗道（Лев Дави?дович Ланда?у）在給出方程中由于等離子體中的粒子碰撞而造成的碰撞項的碰撞積分形式。1938年，蘇聯的阿納托利·安德烈·弗拉索夫（Anatoly Vlasov）提出了弗拉索夫方程，即棄去碰撞項的無碰撞方程。朗道碰撞積分和弗拉索夫方程的提出，標志著磁流體力學及等離子體動力論逐步形成。
1942年，瑞典漢尼斯·奧洛夫·哥斯達·阿爾文（Hannes Olf Gosta Alfvén）指出，當理想導電流體處在磁場中，會產生沿磁力線傳播的橫波（即阿爾文波），并應用于磁層和星際等離子體的研究。印度的蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar）在1942年提出用試探粒子模型來研究弛豫（Relaxation）過程。1946年列夫·達維多維奇·朗道證明當朗繆爾波傳播時，共振電子會吸收波的能量造成波衰減，這稱為朗道阻尼。列夫·達維多維奇·朗道的理論開創了等離子體中波和粒子相互作用和微觀不穩定性等等離子物理學的新的研究領域。
從1935年延續至1946年，N.N.波戈留波夫（Nikolai Nikolaevich Bogolyubov）、馬克斯·玻恩（Max Born）與赫伯特·悉尼·格林（Herbert 悉尼 Green）、約翰·甘布爾·柯克伍德（John Gamble Kirkwood）及雅克·伊馮（Jacques Yvon）從劉維爾定理（Liouville's theorem）出發，得到BBGKY方程組，該方程組可導出安德烈·弗拉索夫方程等，為等離子體動力論奠定了理論基礎。
20世紀
20世紀50年代以后，等離子體物理學迅速發展，確立了其在物理學領域的獨立地位。同時，英、美、蘇等國開始大力研究受控熱核反應，等離子體物理學也隨之蓬勃發展。
1929年，英國的羅伯特· 阿特金森（Robert Atkinson）和奧地利的弗里茨·豪特曼斯（Fritz Houtermans）提出設想，太陽內部輕元素的核之間的熱核反應所釋放的能量是太陽能的來源，這是天然的自控熱核反應。1957年英國的約翰·D·勞森（John D. Lawson）提出受控熱核反應實現能量增益的條件，即勞森準則（Lawson criterion）。
20世紀50年代以來，對于等離子體的磁約束方面，美國的斯必澤（Lyman Spitzer,Jr）、理查德·F·波斯特（Richard F. Post）及蘇聯物理學家列夫·阿西莫維奇（Lev Arsimovi?）分別建成了仿星器、磁鏡和托卡馬克裝置等磁約束聚變裝置，用于實現高溫等離子體的磁約束。1963年，蘇聯的巴索夫、小行星3789的王淦昌分別提出了激光核聚變方案，實現了慣性約束聚變。
環狀磁約束等離子體的平衡問題由蘇聯的維塔利·德米特里耶維奇·沙夫拉諾夫（Vitalii Dmitrievich Shafranov）等解決。美國的馬丁·大衛·克魯斯卡爾（Martin David Kruskal）和沙夫拉諾夫導出了最重要的一種等離子體不穩定性，即扭曲不穩定性的判據。1958年美國的艾拉·伯恩斯坦（Ira B. Bernstein）等提出分析宏觀不穩定性的能量原理。處在環狀磁場中的等離子體的輸運系數首先由德國的D.普菲爾施等于1962年通過研究給出在密度較大區的擴散系數，蘇聯的加列耶夫·阿爾貝特·阿布巴濟洛維奇（Галеев Альберт Абубакирович）等于1967年給出了密度較小區的擴散系數，這一理論適用于托卡馬克這類環狀磁約束等離子體中的輸運過程，被命名為新經典理論。
在天體物理學與空間物理學方面，自從蘇聯在1957年發射了顆人造衛星以后，很多國家陸續發射了科學衛星和空間實驗室，獲得很多觀測和實驗數據，這極大地推動天體和空間等離子體物理學的發展。1958年美國的詹姆斯·范艾倫（James Van Allen）預言地球上空存在著強輻射帶，這一預言為日后的實驗證實，即稱為范艾倫帶。同年，美國的尤金·派克（Eugene Newman Parker）提出了太陽風模型。1974年美國的D.A.格內特根據衛星資料，證認出地球是一顆輻射星體，輻射頻率為千米波。
近現代時期
20世紀末，低溫等離子體在基礎工業、國防工業及高技術領域得到廣泛應用，推動了等離子體物理與其他物理學科及技術科學的相互滲透。隨著研究的深入，等領域逐漸擴展：從傳統的電中性等離子體到非電中性等離子體，從弱耦合等離子體到強耦合等離子體，從純等離子體到塵埃等離子體，以及從線性現象到非線性現象。此外，激光技術的發展也推動了超短脈沖強激光與等離子體相互作用的研究。這些領域的研究為等離子體物理注入了新的活力，并取得了豐富的學術成果。
低溫等離子體技術的發展很大程度上依賴于等離子炬或等離子體發生器的改進和發展，并在以往氣體放電和電弧技術的基礎上，進一步得到應用與推廣，如等離子體切割、焊接、噴鍍、磁流體發電，等離子體化工，等離子體冶金，以及火箭的離子推進（如霍爾推進器）等，都推動了對非完全電離的低溫等離子體性質的研究。
研究內容
單粒子運動
等離子體是由帶電粒子組成的，因為通常帶電粒子的運動是由外部電磁場引起的，因此可通過單粒子運動方程來闡明等離子體的某些性質，并討論絕熱不變量。研究單粒子運動為宏觀的流體理論和微觀的伏拉索夫理論之間提供了一座自然橋梁。
在均勻恒定磁場中，帶電粒子運動很簡單。帶電粒子在均勻恒定磁場中的運動將由兩部分所組成:一部分是沿磁力線的（縱向）勻速直線運動，另一部分是環繞磁力線的（橫向）勻速圓運動；這兩部分合成起來，就使帶電粒子沿磁力線作螺旋運動。如果除磁場外，還有其他外力F，則粒子除沿磁場運動外，在垂直磁場方向，一面作回旋運動，一面作漂移運動。漂移運動是拉莫爾圓的圓心（即導向中心）垂直于磁場的運動，可以由靜電力或重力引起。對于非均勻磁場，漂移也可以由磁場梯度和磁場的曲率等引起。
波動
在等離子體物理中，波動現象是等離子體物理研究中最基本的物理現象，也是研究方法相對成熟的物理現象。波動現象所需要描述的是電子密度、電子速度、離子密度、離子速度、電荷分離場、電勢、等離子體壓強、磁場等物理量之間的相位、振幅之間的關聯。波提供了理論與實驗的聯系，可用波來測量等離子體的各種參量，并利用波改變等離子體的狀態，如用波來加熱或約束等離子體。此外，研究波動也具有一定的實用意義，如波在電離層中的傳播等。波動還和不穩定性等問題緊密關聯，不穩定性往往表現為振幅隨時間增長的波。
由于等離子體中的帶電粒子可以和波的電磁場發生作用而影響波的傳播，使得等離子體中的波動模式非常復雜，既有橫波（波矢k與電場E垂直），也有縱波（k與E平行），也有非橫非縱的波。有橢圓偏振波，也有圓偏振波和線偏振波。波的相對速度可以大于、等于或小于真空光速c。波的群速和相對速度可以平行、不平行或反平行。如果有外加磁場，則波動、磁場的擾動和粒子的運動互相影響，就使得波的模式更加繁雜，例如正負電荷的分離會產生靜電場，其庫侖力是恢復力，由此產生了朗繆爾波；磁力線的彎曲，其張力是恢復力，由此產生了阿爾文波；等離子體中各種梯度，如密度梯度、溫度梯度等，會引起漂移運動，漂移可以和波的模式耦合，由此產生了漂移波。
平衡
平衡問題是位形平衡問題的簡稱，它研究在一定的約束條件下，等離子體如何才能在力學上處于靜止狀態。對于磁場約束的等離子體，平衡問題就是用磁壓力來平衡等離子體壓力。
不穩定性
等離子體的不穩定性是指等離子體在受到擾動后，容易發生整體崩潰或擴散出去的現象，分為宏觀不穩定性和微觀不穩定性兩大類。
宏觀不穩定性
宏觀不穩定性又稱為磁流體不穩定性、位形空間不穩定性，一旦在等離子體中出現一個小小的擾動，就會迅速地擴大并造成等離子體整體地崩潰。
這個術語指的是和偏離熱力學平衡的宏觀量有關的不穩定性。例如，假若平衡等離子體的體積大小（圓柱形、板狀、半空間等）是一定的，并且能通過膨脹、平移或形變達到較低的勢能態，那么它就可能是不穩定的。如果理論或實驗證明這種等離子體在不考慮粒子的速度在平均值附近的分布時就是不穩定的，那么這樣的不穩定性就叫做位形空間不穩定性。這些不穩定性通常可借助于等離子體的流體方程來描述。
微觀不穩定性
微觀不穩定性又稱為波-粒不穩定性、速度空間不穩定性，起因是帶電粒子和等離子體中的電磁波的相互作用，使得等離子體能夠比較容易地擺脫磁場的約束而逃走。
這個術語指的是和偏離詹姆斯·麥克斯韋分布的速度空間分布函數有關的不穩定性。例如，在不動的離子本底中，以不同速度漂移的兩群電子對于列夫·達維多維奇·朗道振蕩的增長是不穩定的，并且會消耗兩電子束流中相對運動能量。有些速度空間不穩定性可以用流體方程來研究，但一般都是借助于伏拉索夫方程。通常速度空間不穩定性雖然具有較大的增長率，但它們始終沒有導致等離子體橫越磁場的快速輸運，這種快速輸運一般是由位形空間不穩定性引起的。
弛豫和輸運
弛豫和輸運是非熱平衡等離子體中向平衡態過渡出現的兩類過程。其中，弛豫是從非熱平衡速度分布向熱平衡詹姆斯·麥克斯韋分布過渡的過程，輸運是描寫穩定的非熱平衡態有物質、動量、能量等在空間流動時的過程。
弛豫過程
弛豫過程一般通過各種弛豫時間來描述。這里最基本的是帶電粒子間的碰撞過程。對于高溫等離子體，有三個比較重要的弛豫時間：慢化時間、偏轉時間和能量交換時間。電子和離子的弛豫時間并不相同。一個初始為非熱平衡的等離子體，經過碰撞，電子會首先達到熱平衡，隨后離子達到熱平衡，達到電子和離子之間的熱平衡。
運輸過程
輸運過程是指等離子體中物質、動量、能量的流動過程，可以用各種輸運系數來描述，包括電導、擴散、粘性、熱導等。輸運過程是受控熱核聚變研究的重大課題，尤其是其中出現的不能用碰撞理論解釋的反常輸運現象。新經典理論是一種碰撞理論，其在受控熱核聚變的研究中，在一定程度解釋了環形裝置中觀察到的較大的粒子熱導等運輸系數。但在某些實驗中，輸運系數明顯與新經典理論不符。反常輸運成為當前聚變理論研究中的重大課題，因為關系到能否有效地約束等離子體的粒子和能量。
輻射
使等離子體吸收或發出輻射的機制有幾種，可以歸納為發射原子發出的輻射、加速帶電粒子引起的輻射兩類。對于等離子體輻射的主要興趣在于，可由輻射測量等離子體性質，在約束等離子體的情形中，輻射表示一種能量損失，在與受控熱核反應堆有關的能量平衡的研究中，必須考慮這種能量損失。其中包括：
軔致輻射：嚴格來說，軔致輻射這個名詞包含大多數輻射源。在等離子體物理學中，軔致輻射通常和自由-自由躍遷輻射等價，后者是在一個粒子碰到其它粒子并突然改變其運動方向時產生的。
黑體輻射：與軔致輻射相反，在受控核聚變反應堆感興趣的等離子體溫度下，黑體輻射損失的能量大大超過聚變反應所產生的能量。
雜質輻射：在部分電離等離子體中，處于激發狀態的原子或離子的輻射介于黑體輻射和軔致輻射之間，它們發出的輻射稱為雜質輻射。雜質輻射可以利用來測量等離子體溫度和密度。
研究方法
等離子體物理學的研究方法包括理論研究和實驗研究。理論模型用于描述等離子體的行為和性質，數值模擬用于預測等離子體的演化，而實驗觀測則用于證明論和模擬的正確性。
實驗研究
對于天然的等離子體，即天體、空間和地球大氣中的等離子體，人們不可能用地面上實驗室中的一般方法主動地調節實驗條件或加以控制，而主要只能通過各種日益增多的地面和空間觀測手段，如光學、射電、X射線、無線電以及現代的高空飛行器和人造衛星一“空間實驗室”，來接收它們所發射的各種輻射（包括各種粒子）。根據大量觀測數據，進行分析和綜合，探索有在于自然界的等離子體的狀態（包括形態學和動力學）。
對于實驗室或工業應用的等離子體，只能采取邊制造邊研究，逐步前進的辦法，例如：受控核聚變等離子體的研究是通過實驗裝置來產生具有特定性能的等離子體，并逐步提高其溫度和約束程度。裝置的設計基于等離子體實驗，通過理論外推和定量演算來確定；強流電子束和離子束技術的研究，需要利用各種儀器測量裝置中產生的等離子體，并根據現有理論對測量數據進行處理，從而對裝置中等離子體的形成過程和現象細節性質進行定性和定量的分析。實驗結果要同參量條件相對應的理論分析進行對比較驗，以判定實驗及理論的前進方向。
理論描述
等離子體物理學常用的理論表述有單粒子軌道理論、磁流體力學、動力學理論、數值計算四種研究方法。單粒子軌道理論不考慮帶電粒子對電磁場的作用以及粒子之間的相互作用。磁流體力學將等離子體作為導電流體處理，使用流體力學和麥克斯韋方程組描述。這種方法只關注流體元的平均效果，因此是一種近似方法。動力學理論使用統計物理學的方法，考慮粒子的速度分布函數。
單粒子軌道理論
單粒子軌道理論是一種描述等離子體的理論方法，它假設等離子體是由大量相互獨立的粒子組成的集合，忽略了帶電粒子之間的相互作用，并且假設等離子體帶電粒子運動所產生的電磁場與外場相比是小量，以至于可以忽略它們的影響。在這種理論方法中，單個帶電粒子在外場中的運動可看成是具有代表性的，知道了單個粒子的運動規律，就可以粗略地估計和推斷整個粒子系統在外場中的某些性質。在非相對論近似下，一個帶電粒子在外力場中的運動方程為：
其中，m,q和r分別是帶電粒子的質量、電荷及位置向量，E和B是外電磁場f非電磁性力。
磁流體力學
磁場與導電流體之間相互作用所引起的宏觀現象的經典理論，通常稱為磁流體力學，把等離子體看成電磁流體研究其宏觀性質，在許多方面能得到符合實際的結果。當導電流體在磁場運動時將激起感應電流，這個電流一方面與磁場相互作用，產生洛倫茲力，改變流體的運動；另一方面，這個電流又將對導電流體產生歐姆加熱和的輸運。
動力學理論
等離子體是由大量微觀粒子組成的體系，其運動規律需要借助統計物理學的方法來揭示。等離子體的統計描述法是最基本的描述法，包括定義粒子的位置、速度、時間的分布函數，并確定分布函數滿足的動力學方程。等離子體動力論是等離子體非平衡態的統計理論，是嚴格的理論，適用于研究等離子體中的弛豫過程、輸運過程、波和微觀不穩定性問題以及漲落效應。動力學理論還可以導出磁流體力學的連續方程、動量方程和能量方程，指明各種不同形式的磁流體力學方程的近似條件和適用范圍。
數值計算
現有的理論描述中，磁流體力學、弗拉索夫方程、福克-馬克斯·普朗克方程都是非線性偏微分方程，包含很多參量，為了求出解析解，物理模型往往過分簡化以至無法精確和全面地包羅各種效應，因此數值計算在等離子體研究中的作用越來越大。另外，由于高溫等離子體的實驗和診斷都較難進行，所以自20世紀70年代以來，發展了一種數值實驗的方法。就是在大容量的計算機上，用大量粒子來模擬等離子體的運動，以研究它的宏觀和微觀不穩定性等問題。這已成為一種有力的研究方法。
學科應用
受控核聚變
等離子體物理學在受控核聚變研究中具有重要應用，例如磁約束等離子體。研究等離子體在受控等離子體物理中的行為有助于我們更好地實現核聚變能源的開發。在地球實現熱核聚變需滿足四個條件：離子溫度108℃，電子溫度108℃，電子密度1X1010cm-3，封閉時間1s。如此高密度、高溫度的等離子體存儲極具挑戰，科學家們一直通過等離子體物理學的相關研究以改進磁場形態和性質，以實現長時間穩定約束等離子體；探討等離子體加熱方法與手段，達到聚變所需溫度；解決維持運轉所耗能量大于輸出能量等問題。
空間等離子體
在空間等離子體應用領域，等離子體物理學專注于研究地球表面50公里以上的空間中所發生的等離子體物理過程，并致力于開發新穎的探測設備和技術方法。其中，對日地空間體系中等離子體的研究，尤其是空間天氣的研究與預報，與人類生產與生活密切相關。太陽活動導致的地球大氣以外部分電磁場和粒子分布的短暫劇烈變化具有災害性，對衛星安全運行、衛星設備正常工作以及人類健康產生嚴重影響。為確保準確預報并降低災害性空間天氣帶來的危害，有必要對整個日地體系，包括深空、太陽、行星際空間、地球磁層、電離層以及中高層大氣的等離子體活動及理論進行系統探測和研究，揭示各部分之間的耦合模式以及能量和物質傳輸過程。
等離子體天體物理
隨著射電天文學的發展，等離子體物理在天體物理中的作用越來越大。等離子體狀態決定了由軔致輻射機制產生輻射的條件和射電波傳播的條件。等離子體與通常氣體的本質差別在于其由離子和電子組成，且由于庫倫力是長程的，輕的電子是可動的，在等離子體中起著基本作用的是集體過程，也即振蕩與波。許多天體的譜（尤其是在射電波段）是在無碰撞等離子體中形成的，因此等離子體現象在解釋這些譜中應起很大作用。因此，出現了“以等離子體理論為基礎的天體物理”。
等離子體天體物理的應用包括：解釋天體的光譜，即通過研究等離子體中的集體過程、振蕩和波，可以解釋天體的光譜，包括光學和射電波段、X射線、紫外和紅外輻射等；研究天體的物理性質，即天體的物理性質，例如等離子體的狀態、輻射機制、電磁波傳播條件等；研究天體的演化過程，即研究天體的演化過程，例如恒星、星云、星系、類星體和脈沖星的演化過程。
低溫等離子體
低溫等離子體在工業和科學研究中具有廣泛的應用，如微電子工業中的等離子體工藝、各種堅硬、耐腐蝕、耐摩擦材料的制備、納米材料的制備、聚合物以及生物材料的表面改性等。低溫等離子體為我們提供了一些獨特的性能，如活性的氣氛、各向異性的能量分布和大量的帶電粒子和激發態粒子。低溫等離子體物理與技術的研究在國內受到了越來越多的重視，包括熱等離子體物理、等離子體鞘物理、磁場重聯、電子束與等離子體相互作用、塵埃等離子體、介質阻擋放電的斑圖等熱點問題。低溫等離子體廣泛應用于刻蝕芯片、表面處理等工業生產、空間助推器等高科技領域，以及真空到大氣壓的等離子體各種激勵技術及其機理研究、冷熱等離子體射流研究、等離子體化工合成、危險廢物無害化處置、離子交換膜的制備、納米材料表面修飾、有機高分子材料表面改性等領域。
關聯學科
天體物理學
等離子體在天體物理中扮演著重要角色，等離子體物理學有助于在天體物理中的研究中更好地理解宇宙的演化和天體的形成。由于恒星際介質中普遍含有電離氫，科學家們由此運用多種等離子體理論來解釋宇宙射線的加速現象。
原子物理學
等離子體物理與原子物理的關聯主要體現在等離子體環境對原子結構和動力學過程的影響。在等離子體中，原子結構、光激發和光電離、電子碰撞激發和電離以及離子-原子碰撞過程中的激發、電離和電荷轉移過程等原子過程會受到等離子體屏蔽效應的影響。等離子體屏蔽效應改變了等離子體環境中原子的結構和動力學過程，并可能導致新的物理現象出現。因此，研究等離子體環境對原子過程的影響有助于推動原子物理與等離子體物理學科交叉的一個新的研究方向。
空間物理學
等離子體在地球和空間環境中也具有重要意義，例如太陽風、磁層、極光等現象都與等離子體有關。研究等離子體在這些環境中的行為有助于更好地了解地球和空間的環境變化。在于研究地球空間環境層，即太陽風引發的連續帶電粒子流對地球磁層的沖擊中，等離子體物理學也起到了重要的作用，如通過衛星及地磁站數據觀測太陽風和行星際磁場在驅動地球磁層能量耗散等。地球磁層起到保護作用，抵御輻射影響，并在太陽風沖擊過程中發生形變。
前沿方向
自20世紀20年代起，等離子體物理學逐漸成為物理學的重要分支。在實驗方面，聚變裝置和科學衛星提供了大量數據。在理論方面，粒子軌道理論、磁流體力學和動力論深入闡述了等離子體的性質和運動規律，并發展了數值實驗手段。盡管取得顯著成就，但反常輸運等非線性問題仍需解決，對天體與空間觀測、受控熱核聚變和低溫等離子體應用研究帶來了新挑戰，尤其在年輕學科中涉足關鍵應用領域并開辟前沿研究方向。
等離子體湍流
又稱微觀不穩定性，普遍發生在聚變等離子體、空間、天體等離子體和低溫等離子體中。現已綜合了理論、數值模擬和實驗方面的研究結果，取得較為突出的成就，也對理論研究、數值模擬和診斷方法提出新的挑戰。如雷諾協強對L-H轉換的貢獻、湍流譜的反級聯過程的探討、不同類型介觀尺度相干結構的發現，以及由此形成的多尺度物理的研究。此外，還有尚未充分研究的磁漲落可能也起重要作用。這些現象涉及聚變等離子體的能量、粒子和矩的反常輸運過程，有時也要考慮到磁螺旋度的弛豫過程。由于等離子體較中性氣體有更多的自由度，等離子體湍流研究的進展必然對一般湍流研究，以及微觀現象和宏觀現象的聯系方面取得新的認識。
高能量密度物理
激光技術的發展，特別是超短脈沖激光技術的進展，使得脈寬接近10-15秒量級、聚焦功率密度超過1021瓦/厘米2的超短脈沖強激光成為可能，從而開創出一個全新的前沿研究領域。這樣強的光場超過原子內部的庫侖場，所以這一研究領域又稱為強場物理。在這樣的場作用下，靶丸物質可被壓縮成能量密度達到1010焦/米3的高溫高密度狀態，稱為高能量密度物質。但根據溫度高低，又可細分為溫稠密物質和熱稠密物質。溫稠密物質實際上屬于介于等離子體和固體之間的物態，接近于木星內部物質的狀態，屬于強耦合等離子體。這種激光等離子體實驗可以模擬許多天體物理過程。
等離子體和其他物態之間的相互作用
等離子體和固體表面的相互作用是聚變等離子體裝置中的重要研究課題，也是廣泛用于制造業的芯片加工和材料改性的關鍵物理過程。鑒于等離子體醫學這一新的應用領域漸成雛形，等離子體對生物活體組織的作用研究也提上日程。與此相聯系的是鄰近等離子體邊界區的鞘層模型的建立和完善，以及相互作用的定量描述和效果的預測。
高能組分等離子體物理
隨著空間探測技術的發展，除在太陽風中外，還在太陽射電爆發、弓形激波、地球極區輻射、電雙層、地磁脈動、磁暴等物理過程中觀測到高能粒子的存在。在進行聚變反應的等離子體中，則存在反應產生的高能α粒子。這些高能粒子與背景等離子體相互作用，可改變原有波模的穩定性，或激發一些新的不穩定模式，影響等離子體的約束和輸運。這種高溫聚變等離子體也稱為燃燒等離子體。對具有高能組分等離子體物理的深入研究，發展成為一個重要領域。主要內容是高能粒子在背景等離子體中的弛豫、加速、加熱和輻射、對背景等離子體平衡、穩定等的影響。
參考資料 >
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