<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing with OASIS Tables v3.0 20080202//EN" "journalpub-oasis3.dtd">
<article xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:oasis="http://docs.oasis-open.org/ns/oasis-exchange/table" dtd-version="3.0"><?xmltex \makeatother\@nolinetrue\makeatletter?>
  <front>
    <journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher">ANGEO</journal-id>
<journal-title-group>
<journal-title>Annales Geophysicae</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="publisher">ANGEO</abbrev-journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="nlm-ta">Ann. Geophys.</abbrev-journal-title>
</journal-title-group>
<issn pub-type="epub">1432-0576</issn>
<publisher><publisher-name>Copernicus GmbH</publisher-name>
<publisher-loc>Göttingen, Germany</publisher-loc>
</publisher>
</journal-meta>

    <article-meta>
      <article-id pub-id-type="doi">10.5194/angeo-32-1495-2014</article-id><title-group><article-title>Energy exchange and wave action conservation for magnetohydrodynamic (MHD) waves in a general,<?xmltex \hack{\newline}?> slowly varying medium</article-title>
      </title-group><?xmltex \runningtitle{MHD waves in slowly varying media}?><?xmltex \runningauthor{A. D. M. Walker}?>
      <contrib-group>
        <contrib contrib-type="author" corresp="yes" rid="aff1">
          <name><surname>Walker</surname><given-names>A. D. M.</given-names></name>
          <email>walkerd@ukzn.ac.za</email>
        <ext-link>https://orcid.org/0000-0002-4581-752X</ext-link></contrib>
        <aff id="aff1"><institution>School of Chemistry and Physics, University of KwaZulu-Natal, Durban, South Africa</institution>
        </aff>
      </contrib-group>
      <author-notes><corresp id="corr1">A. D. M. Walker (walkerd@ukzn.ac.za)</corresp></author-notes><pub-date><day>9</day><month>December</month><year>2014</year></pub-date>
      
      <volume>32</volume>
      <issue>12</issue>
      <fpage>1495</fpage><lpage>1510</lpage>
      <history>
        <date date-type="received"><day>7</day><month>July</month><year>2014</year></date>
           <date date-type="rev-recd"><day>1</day><month>November</month><year>2014</year></date>
           <date date-type="accepted"><day>5</day><month>November</month><year>2014</year></date>
           
      </history>
      <permissions>
<license license-type="open-access">
<license-p>This work is licensed under a Creative Commons Attribution 3.0 Unported License. To view a copy of this license, visit <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/">http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/</ext-link></license-p>
</license>
</permissions>

      <self-uri xlink:href="https://angeo.copernicus.org/articles/32/1495/2014/angeo-32-1495-2014.html">This article is available from https://angeo.copernicus.org/articles/32/1495/2014/angeo-32-1495-2014.html</self-uri>
<self-uri xlink:href="https://angeo.copernicus.org/articles/32/1495/2014/angeo-32-1495-2014.pdf">The full text article is available as a PDF file from https://angeo.copernicus.org/articles/32/1495/2014/angeo-32-1495-2014.pdf</self-uri>
<abstract>
    <p>Magnetohydrodynamic (MHD) waves in the solar wind and
magnetosphere are propagated in a medium whose velocity is comparable to or
greater than the wave velocity and which varies in both space and time. In
the approximation where the scales of the time and space variation are long
compared with the period and wavelength, the ray-tracing equations can be
generalized and then include an additional first-order differential equation
that determines the variation of frequency. In such circumstances the wave
can exchange energy with the background: wave energy is not conserved. In
such processes the wave action theorem shows that the wave action, defined as
the ratio of the wave energy to the frequency in the local rest frame, is
conserved. In this paper we discuss ray-tracing techniques and the energy
exchange relation for MHD waves. We then provide a unified account of how to
deal with energy transport by MHD waves in non-uniform media. The wave action
theorem is derived directly from the basic MHD equations for sound waves,
transverse Alfvén waves, and the fast and slow magnetosonic waves. The
techniques described are applied to a number of illustrative cases. These
include a sound wave in a medium undergoing a uniform compression, an
isotropic Alfvén wave in a steady-state shear layer, and a transverse
Alfvén wave in a simple model of the magnetotail undergoing compression. In
each case the nature and magnitude of the energy exchange between wave and
background is found.</p>
  </abstract>
      <kwd-group>
        <kwd>Interplanetary physics (MHD waves and turbulence) – magnetospheric physics (MHD waves and instabilities)</kwd>
      </kwd-group>
    </article-meta>
  </front>
<body>
      

      <?xmltex \hack{\newpage}?>
<sec id="Ch1.S1" sec-type="intro">
  <title>Introduction</title>
      <p>Magnetohydrodynamic (MHD) waves are an important agent for energy transfer in the
solar corona, solar wind, and magnetosphere. Unlike most electromagnetic
waves, the medium in which they are propagated is generally in motion with a
velocity whose magnitude is comparable with or greater than the wave speed,
and which varies in space and time. In these circumstances it is possible for
energy to be exchanged between the wave and the moving background plasma.
Different approaches have been taken to study such processes. For example
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx8" id="text.1"/> and <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx1" id="text.2"/> have developed methods to
construct the eigenfunction spectrum of stationary magnetohydrodynamic flows.
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx9" id="text.3"/> has applied his method in a plane geometry to study the
Kelvin–Helmholtz and Rayleigh–Taylor instabilities in the presence of a
gravitational field. At present such methods have only been applied to simple
geometries and stationary flow.</p>
      <p>Recently <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx12" id="text.4"/> has generalized the ray-tracing method for
magnetohydromagnetic waves propagated in a medium that is varying slowly in
both space and time. Slow variation implies that the wavelength and period
are small compared with the scales of variation of space and time in the
medium. This ray-tracing method can be applied in arbitrary three-dimensional
geometries so long as the slowly varying condition holds. It also can be used
when the flow is not stationary. In such circumstances wave energy is not
conserved and it is desirable to have a method of computing the changes in
energy density as the wave progresses. The purpose of this paper is to
develop a method to do this.</p>
      <p><xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx13" id="text.5"/> presented a Lagrangian approach to the problem. He defined
a wave action density variable which for a wide range of problems was
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>U</mml:mi></mml:math></inline-formula> was the wave energy density and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> was the
frequency found from the dispersion relation in the local rest frame of the
medium. He showed that it behaved as an adiabatic invariant as the wave was
propagated through the moving medium. He illustrated the idea by considering
Boussinesq surface waves on a fluid. A rigorous investigation of the problem
was carried out by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx5" id="text.6"/>, who showed that the wave action was
conserved along the ray path. The mathematical requirements for this to be
true are discussed by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx2" id="text.7"/>. He also made it clear that the
ray-tracing solution together with the conservation of wave action
constitutes a Wentzel–Kramers–Brillouin–Jeffreys (WKBJ) solution to the wave
equation, being the first approximation in an asymptotic expansion.</p>
      <p>While <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx5" id="text.8"/> mention that the technique is applicable to
magnetohydrodynamic waves the motivation of all the authors cited is the
better understanding of atmospheric waves such as sound waves and internal
gravity waves, and it is in this field that the conservation of wave action
for propagation in slowly varying media has found most attention
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx10" id="paren.9"><named-content content-type="post">Chapter 4</named-content></xref>. The reason may be that most
applications in the magnetosphere have been focused on problems involving
boundaries rather than slowly varying media.</p>
      <p>While the Lagrangian technique is elegant and general, its application to
specific problems is algebraically complicated, and the precise physics
involved in the processes is not always apparent. This paper seeks to derive
the conservation of action principle for magnetohydrodynamic waves in a
slowly varying medium from the reduced equations of MHD, and to integrate its
use with the MHD ray-tracing equations of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx12" id="text.10"/>. In so doing, it
makes explicit the nature of MHD energy transfer between wave and background
medium.</p>
      <p>The nature of the problem requires the use of Cartesian tensor notation with
summation over a repeated suffix assumed. The symbol for a vector quantity
without a subscript denotes the magnitude of that quantity.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2">
  <?xmltex \opttitle{Linearized MHD equations in a slowly\hack{\\} varying medium}?><title>Linearized MHD equations in a slowly<?xmltex \hack{\newline}?> varying medium</title>
      <p>The MHD equations <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx11" id="paren.11"><named-content content-type="post">Sect. 2.4.6</named-content></xref> for an MHD medium with density
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, velocity <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, pressure <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
and magnetic field <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">B</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be linearized, assuming that the
medium, varying in space and time, suffers a small disturbance. Let the
unperturbed density be <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the magnetic field <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the pressure <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>P</mml:mi></mml:math></inline-formula>,
and the velocity <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The medium is then perturbed such that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">B</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p><?xmltex \hack{\newpage}?>The Lagrangian derivative giving the time rate of change as we follow the
motion of a fluid element is
          <disp-formula id="Ch1.E1" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        The operator <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> follows the <italic>total</italic> motion of the plasma,
including the perturbation velocity <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> so that
          <disp-formula id="Ch1.E2" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        and includes both time and space derivatives of the zero-order quantities.
The operator <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is then the Lagrangian operator following the <italic>zero-order</italic> motion
of the plasma.</p>
      <p>The zero-order flow is then described by

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E3"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfenced open="{" close="}"><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>B</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E4"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E5"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E6"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          while, to first order in the perturbation quantities, the perturbations are given by

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfenced close="}" open="{"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E7"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E8"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E9"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E10"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p>Note that, if we compare Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E7"/>) with the corresponding
expression given by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx11" id="text.12"><named-content content-type="post">Eq. 21.54</named-content></xref>, there is an additional term
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> on the right-hand side. This was
erroneously omitted (mea culpa) by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx11" id="text.13"/>.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S3">
  <title>Solutions in a slowly varying medium</title>
<sec id="Ch1.S3.SS1">
  <title>Length scales and timescales</title>
      <p>So far we have not made any assumption about the magnitudes of the rates of
change of the zero-order quantities. The linearized equations only require
that the perturbation is small. In principle, they describe the time
evolution of a perturbation applied to a self-consistent MHD flow that obeys
the zero-order equations. In practice, to obtain solutions, we need to make
further approximations. One such approximation is to assume that the medium
varies only on time- and length scales long compared with the characteristic
period <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and wavelength <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi></mml:math></inline-formula> of the perturbation. The medium is now
assumed to change slowly in space and time. The slow variation can be
characterized by a small quantity <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:math></inline-formula> such that the parameters of the
medium change on a timescale of order <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and on a length scale
of order <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. There are two different approximations to the
MHD equations in this problem. One is that the wave perturbation is small,
allowing linearization of the equations. The other is the slowly varying
approximation which assumes that operators <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, operating on zero-order quantities, are of order
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> respectively, while when operating on
first-order quantities they are of order <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S3.SS2">
  <title>First approximation: the phase integral solution</title>
      <p>The first approximation is found by ignoring terms of order <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:math></inline-formula>.
Locally, on length scales and timescales of order <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the wave is
approximately harmonic. The first stage in any WKBJ approximation
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx4" id="paren.14"><named-content content-type="post">Chapter 9</named-content></xref> is to assume a phase variation, insert it into
the wave equation, get a non-linear differential equation for the phase,
and obtain a first approximate solution in the form of a phase integral.
We short-circuit this by assuming a first approximation of phase integral
form in both space and time so that the field components vary approximately
as
            <disp-formula id="Ch1.E11" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mfenced open="{" close="}"><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          so that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and
            <disp-formula id="Ch1.E12" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mfenced open="{" close="}"><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the angular frequency in the plasma rest frame. It is Doppler-shifted relative
to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the angular frequency in the moving frame</p>
      <p>The first-order equations to this level of accuracy become
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx11" id="paren.15"><named-content content-type="post">21.13–21.15</named-content></xref>

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E13"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="{" close="}"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E14"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mfrac><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E15"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            so that
            <disp-formula id="Ch1.E16" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          and the local dispersion relations are the same as for a uniform stationary
medium with the frequency <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:math></inline-formula> replaced by the Doppler-shifted frequency <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p>The dispersion relations for each type of wave are
            <disp-formula id="Ch1.E17" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          for the transverse Alfvén wave and
            <disp-formula id="Ch1.E18" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced close="}" open="{"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          for the two magnetosonic waves, where

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E19"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E20"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:msqrt><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p>We can write any of these formally as
            <disp-formula id="Ch1.E21" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ϖ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ϖ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> represents the dispersion function in the local rest frame and
depends on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula> through <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>P</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p>In the special case of a sound wave <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is 0, and this becomes
            <disp-formula id="Ch1.E22" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:msqrt><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:msqrt><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
</sec>
<sec id="Ch1.S3.SS3">
  <title>Ray-tracing equations</title>
      <p><xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx12" id="text.16"/> has discussed ray tracing of MHD waves in a medium that
varies both in space and time. The ray defines the path of a wave packet. The
inclusion of time variation introduces a new feature. When the motion of the
background plasma is steady state with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, then the
frequency is constant. The ray-tracing equations then consist of a set of
three first-order differential equations for the rate of change of position
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the wave packet, and a set of three for the
rate of change <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the wave vector. This is no
longer true when the properties of the medium depend on time as well as the
spatial coordinates. There is an additional Doppler shift associated with the
time variation. This leads to the introduction of another first-order
equation giving the rate of change of frequency.</p>
      <p>The full set of ray-tracing equations is then
            <disp-formula id="Ch1.E23" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϖ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>;</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϖ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>;</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϖ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          The subscript r emphasizes that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> represents the
rate of change of a quantity with time following the wave packet as it
travels along the ray. It may be convenient to express these in terms of the
dispersion relation in the local rest frame. Then, from
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E16"/>),

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E24"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ϖ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E25"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ϖ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E26"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ϖ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p>Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E24"/>) shows how the wave packet progresses in space as
time advances, while Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E25"/>) shows how the wave vector changes
in magnitude and direction as the wave packet advances. They are analogous to
Hamilton's equations with frequency corresponding to energy and wave vector
to momentum. The equations for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are conjugate to those for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The
equation for the frequency (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E26"/>) also has a trivial
conjugate equation, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the time
elapsed since the wave packet left its starting point. Then (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>)
and (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) are the conjugate variables in a four-dimensional
space–time. This does not, however, imply that relativity has been taken into
account, although it would, in principle, be possible to do so.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S3.SS4">
  <title>Second approximation: energy flux</title>
      <p>The ray-tracing equations do not, of course, provide a solution to the wave
equations. This would require expressions for the field components. At this
level of approximation the solution is the phase integral, which is to be
evaluated along the ray. The rays are the characteristic curves in the
problem. A better solution would be one in which the variation of the
amplitude of each field component varied along the path. In the WKBJ method
for a stationary medium the next stage of the process is to substitute the
first approximation (the phase integral) into the non-linear equation for the
phase to get a second approximation. This second approximation gives the
amplitude of each field component. These all vary in such a manner as to
conserve energy as the wave progresses. Another way of getting the same
solution is to use energy conservation. In a stationary, slowly varying
medium, the wave energy density is an adiabatic invariant. We could find the
relationship between each component and the energy flux and use that to
determine behaviour of the amplitudes. This is the route that we follow,
although wave energy is no longer conserved in this case and it turns out
that the appropriate adiabatic invariant is the wave action density.</p>
      <p><xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx11" id="text.17"><named-content content-type="post">Sect. 21.5</named-content></xref> has carried out this procedure and has derived an
expression for the energy balance between a propagated wave and a non-uniform
medium. The derivation is for a steady state where the Lagrangian operator
following the plasma is
            <disp-formula id="Ch1.E27" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>≡</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          The only difference for a time-varying medium is that
            <disp-formula id="Ch1.E28" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          The derivation does not use the explicit form of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> but simply uses
Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E3"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E4"/>),
(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E5"/>), and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E6"/>) to eliminate
the time derivatives of the zero-order quantities in the frame of the plasma.
The derivation including time variation of these quantities gives the same
result:
            <disp-formula id="Ch1.E29" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Π</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          where

                <disp-formula id="Ch1.E30" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

                <disp-formula id="Ch1.E31" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Π</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close="}" open="{"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>U</mml:mi><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

                <disp-formula id="Ch1.E32" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="{" close="}"><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mfrac></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfenced close="}" open="{"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>U</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the energy density in the wave, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Π</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the energy flux vector,
and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> a stress tensor. There is a factor <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the
second term of the expression for the stress tensor that does not occur in
Walker's expression. This corrects the error noted in the discussion of
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E7"/>).</p>
      <p>The energy flux vector can be shown to be the rate per unit area per unit
time at which the internal energy is transported by the wave at the group
velocity <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx11" id="paren.18"><named-content content-type="post">Eq. 21.26</named-content></xref>.
            <disp-formula id="Ch1.E33" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Π</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>U</mml:mi><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>U</mml:mi><mml:mfenced open="{" close="}"><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p>The first term in the stress tensor is the Reynolds stress. It represents the
momentum flux associated with the oscillation of the wave. If we consider an
element of area <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, moving with the unperturbed velocity <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
then <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the rate at which wave momentum
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is transported across <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at velocity <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. It thus
represents the mechanical force exerted by the wave field on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
The second term is simply the normal stress exerted by the isotropic
second-order pressure of the wave (see Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1.SS1"/>).
The third and fourth terms represent the Maxwell stress
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx11" id="paren.19"><named-content content-type="post">Sect. 1.8</named-content></xref> associated with the first-order magnetic
perturbation <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The Maxwell stress, in the same way, can be regarded as
the electromagnetic momentum flux tensor.</p>
      <p>The last term in the equation for energy balance
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E29"/>) may be written
            <disp-formula id="Ch1.E34" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          The force per unit volume exerted by the wave on the unperturbed medium is
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Since the medium is moving with velocity
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the wave does work on the medium <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and thus the last term in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E34"/>) represents the
gain of energy by the wave as a result of this process. The first term on the
right-hand side has the form of the divergence of a flux vector. Explicitly
we can write

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E35"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Compare this expression with the expression for the flux vector in a uniform
medium (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E31"/>). The first term is an additional second-order
contribution to the transport of internal energy <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>U</mml:mi></mml:math></inline-formula>: the first-order
contribution to the energy density <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and there is a second-order flux term as it is
transported by the wave velocity <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The second term is the acoustic flux
associated with the second-order pressure
(Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.E6"/>) when the zero-order velocity is
non-zero. Compare it with the term <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E31"/>). The
remaining terms represent the flux of magnetic energy and are of the same
form as the corresponding terms in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E31"/>).</p>
      <p>When <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is constant, the two terms on the right-hand side of
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E34"/>) cancel and energy is conserved. The term involving
the stress tensor in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E29"/>) is the difference between
the work done per unit volume and the energy transported and represents the
net effect of the interaction between wave and unperturbed medium.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="Ch1.S4">
  <title>Conservation of wave action</title>
<sec id="Ch1.S4.SS1">
  <?xmltex \opttitle{Rate of change of $\omega _{0}$ and $U$ following a wave packet}?><title>Rate of change of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>U</mml:mi></mml:math></inline-formula> following a wave packet</title>
      <p>The rest frame frequency <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is given by the dispersion
relation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E21"/>) and is a function of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Its rate of change following a wave packet is, therefore,
            <disp-formula id="Ch1.E36" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          We can substitute for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E24"/>) and for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E25"/>) to write this as

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E37"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E38"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where
            <disp-formula id="Ch1.E39" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          is an operator representing the rate of change with respect to time of a
quantity following the motion of the unperturbed plasma. The subscript <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula>
emphasizes that this is done keeping <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> constant.</p>
      <p>We can also see how <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>U</mml:mi></mml:math></inline-formula> varies following the wave packet by noting that the
equation for transport of energy can be written in terms of the rate of
change along a ray. If we use Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E33"/>), the
divergence of the flux vector can be expanded as

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfenced close="}" open="{"><mml:mi>U</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E40"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>U</mml:mi><mml:mfrac><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            This can be substituted in  (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E29"/>) to yield

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E41"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E42"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>U</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p>In order to establish the principle of conservation of wave action in any
particular case, we compare Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E38"/>) and
(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E42"/>). The right-hand side of
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E38"/>) is evaluated from the appropriate dispersion
relation, while in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E42"/>) we express <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
in terms of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>U</mml:mi></mml:math></inline-formula>. We proceed to do this for a number of special cases.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S4.SS2">
  <title>Sound waves</title>
      <p><xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx10" id="text.20"><named-content content-type="post">Sect. 4.6</named-content></xref> has discussed the conservation of wave action for
sound waves where the background motion is a steady-state flow. His book
draws attention to the importance of the concept of conservation of wave
action, but he nowhere considers the case of non-stationary flow. As we have
seen for steady-state flow, the frequency remains constant and this simplifies
the analysis. Sound waves are a special case of MHD waves when <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and they provide a good introductory example.</p>
      <p>For a sound wave, where the magnetic field is 0, the expressions for
energy density (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E30"/>), flux vector
(Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E31"/>), and stress tensor (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E32"/>)
become

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E43"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mi>U</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E44"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Π</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E45"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p>If we use these expressions for the flux vector and stress tensor in
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E42"/>), we get the rate of change of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>U</mml:mi></mml:math></inline-formula>
following a wave packet:

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E46"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E47"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>U</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p>If we multiply Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E13"/>) by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and use
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E33"/>), we see that
            <disp-formula id="Ch1.E48" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          Also if we use the equipartition
relation (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.E11"/>) in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E43"/>),
we get
            <disp-formula id="Ch1.E49" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          If we substitute these in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E47"/>), we get

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>U</mml:mi></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E50"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p>Now compare this with Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E38"/>), the rate of change of
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> following the ray. On the right-hand side
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> represents the rate of change of the
rest frame frequency following the zero-order motion of the plasma and
keeping <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> constant. It is to be found from the sound dispersion
relation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E22"/>). We use
Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E6"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E4"/>) for
the derivatives of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>P</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> following the plasma. Then

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E51"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≡</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mfrac><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msqrt><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E52"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi>k</mml:mi><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mfrac><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>P</mml:mi></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi>k</mml:mi><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mfrac><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E53"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi>k</mml:mi><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi>k</mml:mi><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            so that (noting that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
            <disp-formula id="Ch1.E54" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p>Finally, subtract Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E38"/>) from
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E50"/>) to get
            <disp-formula id="Ch1.E55" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          Then, noting that
            <disp-formula id="Ch1.E56" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced close="}" open="{"><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          we obtain, using Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E33"/>), the result

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mfrac><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfenced close="}" open="{"><mml:mfrac><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E57"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Π</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            which shows that the wave action, with density <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, is conserved.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S4.SS3">
  <?xmltex \opttitle{The transverse Alfv\'{e}n wave}?><title>The transverse Alfvén wave</title>
      <p>For the transverse Alfvén wave we follow the same procedure as for a sound
wave with the appropriate dispersion relation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E17"/>) and
relations between the field components. It is an incompressible shear wave
with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The relations between the field
components (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E13"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E15"/>) are then

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E58"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E59"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Multiply Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E58"/>) by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E59"/>) by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and we see that
            <disp-formula id="Ch1.E60" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p>From the energy equipartition relation (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.E11"/>)
the energy density is
            <disp-formula id="Ch1.E61" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          As we have noted above, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is normal to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> so that the flux vector from
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E31"/>) is
            <disp-formula id="Ch1.E62" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Π</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          and the stress tensor from Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E32"/>),
(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E61"/>), and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E60"/>) is
            <disp-formula id="Ch1.E63" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p>If these are substituted in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E42"/>), we get
            <disp-formula id="Ch1.E64" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>U</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close="}" open="{"><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p>We now use the dispersion relation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E17"/>) to find
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E38"/>). The
derivatives of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are found from
Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E4"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E5"/>) so that
            <disp-formula id="Ch1.E65" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          Thus
            <disp-formula id="Ch1.E66" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          Finally subtract this from Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E64"/>), and we get
            <disp-formula id="Ch1.E67" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          or, equivalently,
            <disp-formula id="Ch1.E68" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          which shows that, once again, the wave action is conserved along the ray.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S4.SS4">
  <title>Magnetosonic waves </title>
      <p>The magnetosonic waves are algebraically more complicated, but we can follow
the same process. The dispersion relation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E18"/>) is
in the form of a biquadratic as it describes both waves. It would be possible
to solve the quadratic equation for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, but the solution contains a
square root and we must choose which sign applies to which wave, and this is
not as convenient as finding a solution that applies to both magnetosonic
waves.</p>
      <p>In a uniform medium we can use Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E14"/>) and
(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E15"/>) to eliminate <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>p</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E13"/>). The result is a set of three equations relating
the three components of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We use a set of local magnetic-field-aligned
coordinates <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is parallel to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi></mml:math></inline-formula>,
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is normal to the plane containing <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">k</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is normal to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi></mml:math></inline-formula> in
this plane. The three equations then separate into two sets
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx11" id="paren.21"><named-content content-type="post">Sect. 7.5.1</named-content></xref>, one involving <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> representing the Alfvén
wave, and the other two involving only <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> representing the
magnetosonic waves. The latter two equations may be written
            <disp-formula id="Ch1.E69" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mtable class="array" columnalign="center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.</mml:mn></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p>These are two homogeneous linear equations which are only consistent if the
determinant of the matrix is 0. This determines the dispersion
relation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E18"/>) which, in these coordinates, can be
written
            <disp-formula id="Ch1.E70" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p>In Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E42"/>), representing the rate of change
of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>U</mml:mi></mml:math></inline-formula> following a wave packet, we note that

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="{" close="}"><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mfenced><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E71"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced close="}" open="{"><mml:mfrac><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mfenced><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p><?xmltex \hack{\newpage}?>If we multiply Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E13"/>) by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E15"/>) by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, subtract the second from the first, and use
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E31"/>), we get

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mfenced><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Π</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E72"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p>The next objective is to express the products of the field components on the
right-hand side in terms of the wave energy density <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>U</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Then we will be able
to divide Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E42"/>) by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>U</mml:mi></mml:math></inline-formula> to get an expression
for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> that only depends on the
zero-order quantities and their derivatives. This is best done by using the local
field-aligned coordinates and making use of the properties of the
magnetosonic waves described above. The details are shown in
Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1.SS2"/>. From
Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.E23"/>) and
(<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.E23"/>) we get

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E73"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mfrac><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Also from Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E72"/>) and (<?unresolvedLink LABEL:eq:extra_power?>)

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced open="{" close="}"><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced close="" open="{"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E74"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfenced open="." close="}"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mfenced><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            These two results can be substituted in
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E42"/>) with the result that

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>U</mml:mi></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E75"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p>The next step is to evaluate <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E38"/>) by differentiating the dispersion relation.
For the magnetosonic waves this is algebraically tedious and is carried out
in Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1.SS2.SSS5"/>. The result is

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E76"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            If the second of these is subtracted from the first, we get

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mfrac><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mfrac><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mfrac><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>G</mml:mi></mml:msub><mml:mfrac><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mfrac><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E77"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            or
            <disp-formula id="Ch1.E78" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          which expresses the conservation of the wave action for the magnetosonic waves.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="Ch1.S5">
  <title>Examples of the use of action conservation</title>
      <p>In this section we apply the principle of conservation of wave action to some
illustrative problems. These are of a tutorial nature rather than
applications of immediate relevance.</p>
<sec id="Ch1.S5.SS1">
  <title>Sound wave in a medium undergoing compression</title>
      <p>We start with the simplest possible example. Consider a plane sound wave
propagated in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> direction in a gas that undergoes a slow adiabatic
compression. The gas is assumed to be in a long cylinder with axis in the
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> direction and a diameter very large compared with the wavelength. The
compression is assumed to take place by reducing the diameter of the
cylinder. The zero-order velocity <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the gas resulting from the
compression is then at right angles to the direction of propagation so that
there is no Doppler shift and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This velocity is a
function of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula>, but the uniform compression means that its spatial
derivatives are independent of position being functions of time only. The
sound speed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E20"/>) is also a function of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula> only.
The ray-tracing (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E23"/>) with the group velocity equal to
the sound speed become

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E79"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E80"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E81"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p><?xmltex \hack{\newpage}?>

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E82"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E83"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E84"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E85"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϖ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p>The first three equations (Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E79"/>, <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E80"/>,
<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E81"/>) give the path of a wave packet while the compression
takes place. They show that the velocity of a wave packet during the
compression has a component along the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> axis equal to the sound speed. In
addition the wave packet is carried towards the axis of the cylinder with the
velocity of the medium. This is illustrated in Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F1"/>.
Consider portions of rays <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> on either side of the axis <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of
the container, at time <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> just before the compression starts. During the
compression a wave packet such as that at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>A</mml:mi></mml:math></inline-formula> moves along a ray path <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
and reaches <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at time <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula> when the compression ends. Other wave packets
such as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>B</mml:mi></mml:math></inline-formula> move along parallel paths such as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi><mml:msup><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The behaviour is
analogous to the behaviour of streak lines in time-varying fluid dynamics.
The net effect is that the ray pencil <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> moves inwards as it progresses
until it reaches <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> does the same to reach <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Clearly,
because the ray pencils move with the gas, the cross-sectional area of any ray
tube changes proportionally to the cross-sectional area of the container.</p>
      <p>The equations for the transverse components of the wave vector
(Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E82"/>, <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E83"/>) show that, if <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
are initially 0, they will remain 0. Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E84"/>)
shows that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> remains constant. The wave thus remains a plane wave
propagated in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> direction with a constant wave length. Finally
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E85"/>) can be integrated directly to show that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:math></inline-formula>
varies with time as
            <disp-formula id="Ch1.E86" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          We thus see that, as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> changes as a result of the compression, the
frequency also changes. This is a kind of Doppler shift that does not result
from the motion of the medium, the source, or the observer.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F1"><caption><p>Sound wave in a medium undergoing compression (see
text).</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=236.157874pt}?><graphic xlink:href="https://angeo.copernicus.org/articles/32/1495/2014/angeo-32-1495-2014-f01.png"/>

        </fig>

      <p>The cross section of the ray tubes changes in proportion to the
cross-sectional area <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>A</mml:mi></mml:math></inline-formula> of the container. The density is inversely
proportional to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>A</mml:mi></mml:math></inline-formula> through the adiabatic relation <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>∝</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Thus
            <disp-formula id="Ch1.E87" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∝</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle scriptlevel="+1"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          During this change the wave action is conserved. If the wave energy density
is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>U</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the quantity <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> remains constant. The energy density thus
varies as
            <disp-formula id="Ch1.E88" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>∝</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>∝</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle scriptlevel="+1"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          In the sound wave the magnitude of the energy flux <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Π</mml:mi></mml:math></inline-formula> is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> so that
            <disp-formula id="Ch1.E89" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Π</mml:mi><mml:mo>∝</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>∝</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          The total energy per unit length <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>W</mml:mi></mml:math></inline-formula> of the wave train changes as
            <disp-formula id="Ch1.E90" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi><mml:mo>∝</mml:mo><mml:mi>U</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>∝</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle scriptlevel="+1"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          For example in an ideal gas <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and
            <disp-formula id="Ch1.E91" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi><mml:mo>∝</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle scriptlevel="+1"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p>Since <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the total wave energy increases when the gas is
compressed. This means that the work done in the adiabatic compression is
greater than that needed to increase the internal energy of the gas. For a
simple solar wind model with large plasma <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:math></inline-formula> so that the fast wave
approximates a sound wave, if there is a spectrum
of waves in existence, we
can infer that temporal compression will increase not only the temperature
but also the wave energy. Explicit calculation for a more realistic fast wave
would show the same behaviour.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S5.SS2">
  <?xmltex \opttitle{Isotropic Alfv\'{e}n wave propagated through\hack{\\} a shear layer}?><title>Isotropic Alfvén wave propagated through<?xmltex \hack{\newline}?> a shear layer</title>
      <p>First we consider a steady-state situation in which the unperturbed medium
does not change with time. Consider an isotropic Alfvén wave in a shear
layer. The simplest possible case is that for which the density is constant,
the pressure negligible, and the magnetic field is constant and normal to the
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> axis. The velocity is in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> direction and is a function of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The
fast wave is then an isotropic Alfvén wave. We consider the case where the
wave vector lies in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>–<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> plane and has the dispersion relation
            <disp-formula id="Ch1.E92" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p>The ray-tracing equations (Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E24"/>, <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E25"/>,
<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E26"/>) for this case become

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E93"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E94"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E95"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E96"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E97"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            This immediately shows that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:math></inline-formula> is constant as expected in the steady
state, and that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is constant, which is an expression of Snell's law. The
right-hand sides of Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E93"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E94"/>)
are the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> components of the group velocity.</p>
      <p>Figure <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F2"/> shows the results of a ray tracing in a shear layer
by integrating these equations using a Runge–Kutta process. The dependence of
the velocity on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> is given by
            <disp-formula id="Ch1.E98" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced close="}" open="{"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>tanh⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          The dependence of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>V</mml:mi></mml:math></inline-formula> on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> is shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F2"/>a, and the
parameters for the shear layer used are shown in the figure. The maximum
shear occurs at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Each ray is started at the point <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>O</mml:mi></mml:math></inline-formula> below the shear
layer where the medium has a very small velocity and is essentially at rest.
The initial direction of the wave normal is spaced at equal angles so that a
fan of rays spreads out from <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>O</mml:mi></mml:math></inline-formula>. In Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F2"/>b the interruptions
in the rays occur at equal time intervals for a point on the ray moving at
the ray velocity (which for these waves is the same as the group velocity)
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx4" id="paren.22"><named-content content-type="post">Sect. 13.19</named-content></xref>. This is the velocity of the point of
intersection of a plane wavefront travelling with the phase velocity and the
ray. In a stationary MHD medium it is the same as the phase velocity
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx11" id="paren.23"><named-content content-type="post">Sect. 9.2.5</named-content></xref>, but this is no longer true in a moving medium.
These interruptions therefore represent successive positions of a wave crest.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F2"><caption><p>Isotropic Alfvén waves originationg from a point source <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>O</mml:mi></mml:math></inline-formula> in a
shear layer. <bold>(a)</bold> The layer profile. <bold>(b)</bold> The results of ray tracing. The ray
pattern is interrupted at equal time intervals for a feature on the wave
packet travelling at the ray velocity. The interruptions therefore trace out
the pattern of the wave fronts.</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=236.157874pt}?><graphic xlink:href="https://angeo.copernicus.org/articles/32/1495/2014/angeo-32-1495-2014-f02.png"/>

        </fig>

      <p>There are several noteworthy features in this ray pattern. Were it not for
the shear, the medium would be uniform and the rays would travel radially from
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>O</mml:mi></mml:math></inline-formula>, producing spherical wave fronts. This is the situation near <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>O</mml:mi></mml:math></inline-formula>, where
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>V</mml:mi></mml:math></inline-formula> is very small. As the velocity increases, since the group velocity is the
sum of the group velocity in the rest frame of the medium and the velocity of
the medium itself, the rays are swept to the right. Those rays with negative
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> initially make a positive angle with the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> axis and are rotated
clockwise relative to it. No matter how large the initial angle, when <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
is negative, the right-hand side of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E93"/>) eventually
becomes 0 and the motion in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> direction is reversed. When <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is
positive and small, the initial <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> component of the ray velocity is
positive, so there is no reversal of direction. The magnitude of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> component of
the ray velocity, however, increases substantially and the ray is still swept
to the right. For positive values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the value of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> decreases along
the ray, as can be seen from Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E96"/>). It eventually becomes zero
and changes sign, and hence from Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E94"/>) the ray is
reflected. Another point of interest is the focusing of the reflected rays
seen at the bottom right-hand corner of the ray pattern.</p>
      <p>In order to study the conservation of action in this geometry, it is necessary
to know how the cross-sectional area of a ray tube changes along its length.
This is not a trivial problem and we shall postpone it. Instead we shall
consider a plane wave situation. Consider one of the rays with negative <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
and suppose that it originates from a very distant source. Then the wave
fronts are approximately plane and the separation of adjacent rays in the
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> direction remains constant.</p>
      <p>Consider Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F3"/>a. It shows a tube of rays passing
through the boundary of a rectangular area <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>A</mml:mi></mml:math></inline-formula> where the group velocity is
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mi>G</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The tube penetrates the shear layer and reaches a level where
the group velocity is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The flux of wave action into the tube
is equal to the flux out. Thus
            <disp-formula id="Ch1.E99" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          If the starting level is well below the shear layer, then <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The ratio of the energy flowing out of the
tube to that flowing in is therefore
            <disp-formula id="Ch1.E100" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          We see then that for negative <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> there is a gain in energy. However those
rays that start with positive <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> lose energy. It might be thought that if
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> were sufficiently large they would acquire negative energy, but the
reflection condition ensures that this cannot occur. The situation is
illustrated in Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F3"/>b. Thus the reflected waves do,
in fact, lose energy as they are propagated upwards, but this is regained
after they are reflected so that there is no net change.</p>
      <p>So far this calculation has applied to the total energy in the ray tube and
would apply equally well to the diverging ray tubes of
Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F3"/>a. If we want to calculate the flux vector, and
hence the energy density and the amplitudes of the field components, we need
to know the cross-sectional area of the ray tube. For diverging ray tubes
such as those of Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F3"/>a the calculation is not
trivial and will not be pursued in this paper. For non-diverging ray tubes
such as those of Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F3"/>b matters are simpler. The
cross-sectional area of the ray tube is simply <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the angle between the ray tube and the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> axis.
Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E99"/>) can just as well be written
            <disp-formula id="Ch1.E101" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>G</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          so that
            <disp-formula id="Ch1.E102" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Π</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Π</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          For this example <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be found as a function of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The only
dependence on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> is through <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Both <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> depend on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>V</mml:mi></mml:math></inline-formula>
through

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E103"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E104"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            which leads to
            <disp-formula id="Ch1.E105" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mfenced close="}" open="{"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          which allows the cross-sectional area and hence the flux vector and energy
density along the ray to be found. The direct calculation is only possible
because the plane geometry allows it. In general some means of calculating
the cross-sectional area of the flux tube as the integration progresses must
be used. <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx3" id="text.24"/> has proposed a method of doing this, but,
surprisingly, it does not appear to have been applied in practice. Work is in
progress in applying it to MHD waves.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F3"><caption><p>Ray tubes for plane waves in a shear layer. <bold>(a)</bold> Wave transmitted
through layer. <bold>(b)</bold> Wave reflected from layer.</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=236.157874pt}?><graphic xlink:href="https://angeo.copernicus.org/articles/32/1495/2014/angeo-32-1495-2014-f03.png"/>

        </fig>

</sec>
<sec id="Ch1.S5.SS3">
  <?xmltex \opttitle{Transverse Alfv\'{e}n wave in medium undergoing\hack{\\} compression}?><title>Transverse Alfvén wave in medium undergoing<?xmltex \hack{\newline}?> compression</title>
      <p>Next we consider another problem in which the plasma conditions vary as a
function of time. <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx12" id="text.25"/> traced rays using Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E24"/>),
(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E25"/>), and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E26"/>). He considered a uniform region of
plasma containing a sheet of current flowing in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula> direction, and
situated on the plane <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. A uniform magnetic field was associated with the
current sheet. For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> it flowed in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> direction and for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in
the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> direction. This can be regarded as a crude model of the magnetotail
near its axis. A transverse Alfvén wave was assumed to be propagated
along the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> axis while the system changed slowly in time. The surface
current density in the current sheet was increased slowly and
quasistatically, by which was meant that any acceleration was so small that
the plasma remained in quasi-equilibrium as conditions changed. The magnetic
field increased uniformly, and the electromotive force arising from the changing magnetic flux
provided an electric field associated with a plasma drift inwards to the
current sheet, at a velocity consistent with the frozen-in field line
theorem. The surface current density of the sheet changes with time in such a
manner that, over a period of time <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the magnetic field magnitude changes
smoothly from an initial value <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to a final value <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> according to
            <disp-formula id="Ch1.E106" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced open="{" close="}"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>f</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>tanh⁡</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the fractional change in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>B</mml:mi></mml:math></inline-formula>. As this change takes place, the
frozen-in field lines move towards the current sheet and the plasma is
compressed.</p>
      <p>Figure <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F4"/>a shows the result of a ray tracing as the background
parameters are changed. Initially, at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> there is a pencil of transverse
Alfvén waves propagated to the left along the line <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. As the current
increases, the points on the ray pencil <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> move successively to
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
respectively along the separate ray paths shown. The net effect is that the
pencil of rays remains on the same field line as it is convected towards the
current sheet. At all times the wave normal remains aligned with the magnetic
field, but the ray follows a path that keeps the wave packet on the same
convecting field line. The wavelength in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> direction remains unchanged
so that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is constant. In the time-varying case, just as in the simple
case of a sound wave in a medium undergoing compression, successive points
along a pencil of rays do not follow the same ray path.</p>
      <p>Figure <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F4"/>b shows a ray tube of rectangular cross-sectional area
of width <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. As the wave packet follows the ray path, the plasma is
compressed in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> direction so that the cross-sectional area becomes
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. At <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the degree of compression is imperceptible and the ray
is directed parallel to the field; at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the compression is essentially
complete and the same is true. The medium is at rest in each case, and the
group velocity for the transverse Alfvén wave is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></inline-formula> parallel to the magnetic field. The magnetic flux through <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>A</mml:mi></mml:math></inline-formula> is
constant so that
            <disp-formula id="Ch1.E107" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          The compression is in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> direction, so the density is inversely
proportional to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>h</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Thus
            <disp-formula id="Ch1.E108" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:msqrt><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F4"><caption><p>Ray tracing of transverse Alfvén wave in the magnetic field above
a current sheet as the sheet current density is increased (see
text).</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=236.157874pt}?><graphic xlink:href="https://angeo.copernicus.org/articles/32/1495/2014/angeo-32-1495-2014-f04.png"/>

        </fig>

      <p>The action flux vector in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E68"/>) is
            <disp-formula id="Ch1.E109" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>G</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          where we have used the dispersion relation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E17"/>). The
conservation of wave action implies that the flux of wave action into the ray
tube through <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>A</mml:mi></mml:math></inline-formula> is equal to the flux out through <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>:
            <disp-formula id="Ch1.E110" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>G</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          or
            <disp-formula id="Ch1.E111" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          since <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>∝</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The energy density thus increases by a factor <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
during the compression. The net gain of energy can be found from
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E110"/>). The power delivered to the wave in the ray
tube at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>A</mml:mi></mml:math></inline-formula> is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>G</mml:mi></mml:msub><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and that extracted at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The ratio is
            <disp-formula id="Ch1.E112" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>G</mml:mi></mml:msub><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:msqrt><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p>We see, therefore, that the energy of the wave is increased in the
compression. External work has been done on the unperturbed plasma by the
compression, and some of this energy has been used to do work on the wave
through the stress term in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E29"/>).</p>
      <p>This situation is more complicated than the steady-state problem of the
previous section. We have taken care to look at the energy flux into the
volume represented by the ray tube in Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F4"/>b at an initial
time before the compression has started and a final time when it is complete.
At each of these times the motion is steady state and we can calculate the
flux of energy into or out of the volume from the steady-state flow. While
the compression is in progress, the energy flux at an intermediate time
through a cross section of the ray tube will not be constant. Before the
compression takes place, it will be 0. As the pencil sweeps through the
cross section, it will rise to a maximum and then fall again, as will the
action density. We need to calculate the flux as we follow a wave packet in
time.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S5.SS4">
  <title>Interaction of the waves with the background</title>
      <p>The results of our computations show that, when the velocity of the medium is
a function of both space and time, the wave exchanges energy with the
background. This means that the zero-order flow that has been assumed is
modified by the wave. This happens on temporal and spatial timescales that are large
compared with the period and wavelength and does not invalidate our
assumptions. As outlined by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx11" id="text.26"><named-content content-type="post">Sect. 21.5.1</named-content></xref> there are other
second-order terms in the total MHD energy conservation equation that
represent the energy change in the background. The neglect of these
second-order terms is equivalent to a quasi-linear approximation analogous to that
used in the study of unstable plasma distribution functions close to
quasi-equilibrium.</p>
      <p>We expect, therefore, that a spectrum of MHD waves propagated in a moving
non-uniform plasma such as the solar wind will be modified as they flow,
consequently modifying the flow of the wind. As described by
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx10" id="text.27"><named-content content-type="post">Chapter 4</named-content></xref> for internal atmospheric waves, the energy
exchange is most efficient at a critical layer where
            <disp-formula id="Ch1.E113" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.</mml:mn></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          For the MHD waves that we are considering, such critical layers are
inaccessible in a slowly varying medium; they only occur where the wave is
evanescent. For the atmospheric sound waves described by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx10" id="text.28"/>
they only occur when the Earth's gravitational field is significant when the
waves are described as internal waves. Similarly MHD waves would only show
accessible critical layers sufficiently near the surface of the Sun, where the
gravitational field is large. The theory of this paper would have to be
extended to include this.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="Ch1.S6" sec-type="conclusions">
  <title>Discussion and conclusions</title>
      <p>In this paper we have explicitly derived the principle of conservation of
wave action in slowly varying magnetohydrodynamic media directly from the
basic equations of magnetohydrodynamics and applied it to some idealized
examples. While the principle is well known from the work of
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx13" id="text.29"/> and <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx5" id="text.30"/>, it has not been applied  to such
problems before; the Lagrangian approach of these authors is powerful and
very general but does not provide as much physical insight into specific
problems as this more direct approach. The paper, therefore, is partly
didactic in nature.</p>
      <p>The ray-tracing method, together with the equation describing energy flow and
exchange along the rays, are equivalent to a WKBJ solution of the problem.
This is the first term in an asymptotic series. At this level of
approximation the three modes – fast, slow, and transverse Alfvén wave –
remain distinct, with no coupling or mode conversion studied, for example, by
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx6" id="text.31"/> or <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx7" id="text.32"/>. Coupling processes take place near
caustic surfaces when rays approach each other and need a higher order of
approximation for proper treatment.</p>
      <p>The most important result of the theory in this paper is that it enables us to
compute the energy exchange between an MHD wave and its surroundings when the
medium in which it is propagated is changing slowly both in space and time.
In such cases we can study the propagation of the wave using ray-tracing
techniques.</p>
      <p>We have only considered plane-stratified systems as examples in this paper.
The technique allows for waves from arbitrary sources with diverging or
converging rays, provided that we have a means of calculating the
cross-sectional area of the ray tube as conditions change. This can be done
in principle by the method developed by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx3" id="text.33"/>. We have found no
applications of this method in the literature, and it appears to have been
largely overlooked. It deserves attention, and work is in progress to apply it
to the waves described in this paper.</p><?xmltex \hack{\clearpage}?>
</sec>

      
      </body>
    <back><app-group><app id="App1.Ch1.S1">
  <title>Some mathematical results</title>
<sec id="App1.Ch1.S1.SS1">
  <?xmltex \opttitle{Contribution of second-order pressure\hack{\\} to energy density}?><title>Contribution of second-order pressure<?xmltex \hack{\newline}?> to energy density</title>
      <p>The internal energy density <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">E</mml:mi></mml:math></inline-formula> is related to the pressure by
            <disp-formula id="App1.Ch1.E1" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">E</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          The wave field components are evaluated to first-order accuracy. Expressions
for its energy and momentum density are found from products of the first-order field components. The adiabatic law
            <disp-formula id="App1.Ch1.E2" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          defines the pressure as a function of density. We can express the pertubed
pressure as an expansion in powers of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the density perturbation.
            <disp-formula id="App1.Ch1.E3" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          From Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.E2"/>)

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E4"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E5"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            The second-order term in the expansion, with the density perturbation replaced by the pressure perturbation, is then
            <disp-formula id="App1.Ch1.E6" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          This quantity appears in the expression for the stress
tensor (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E32"/>) and can thus be interpreted as the
second-order pressure contribution to the stress. Combining it with
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.E1"/>) gives the second-order internal energy density
appearing in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E30"/>).</p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S1.SS2">
  <title>Mathematical relations for the magnetosonic waves</title>
      <p>In this section we use the field-aligned coordinates of
Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S4.SS4"/>.</p>
<sec id="App1.Ch1.S1.SS2.SSS1">
  <title>Identities</title>
      <p>Three identities that we shall use follow from the dispersion
relation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E70"/>).

                  <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E7"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p><disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="{" close="}"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E8"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p><disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="{" close="}"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E9"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S1.SS2.SSS2">
  <title>Equipartition of wave energy</title>
      <p>If we multiply Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E13"/>) by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E14"/>) by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>p</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E15"/>)
by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and add the latter two, we see that
              <disp-formula id="App1.Ch1.E10" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            The left-hand side is twice the kinetic energy density associated with the
wave, and the right-hand side is twice the potential energy density. This is
an example of equipartition of wave energy. It can be combined with
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E30"/>) to show that
              <disp-formula id="App1.Ch1.E11" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S1.SS2.SSS3">
  <?xmltex \opttitle{Partition of wave energy for the\hack{\\} magnetosonic waves}?><title>Partition of wave energy for the<?xmltex \hack{\newline}?> magnetosonic waves</title>
      <p>We can use Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E69"/>) to relate the
velocity components. The two consistent relations show that

                  <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E12"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E13"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

              and thus, multiplying the two equations,
              <disp-formula id="App1.Ch1.E14" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            The equipartition relation (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.E11"/>) shows that
the total wave energy can be related to the kinetic energy:
              <disp-formula id="App1.Ch1.E15" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            so that from Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.E14"/>)
              <disp-formula id="App1.Ch1.E16" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            and

                  <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E17"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E18"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mfenced open="{" close="}"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

              where the last line follows from Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.E7"/>).</p>
      <p>The equipartition relation (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.E11"/>) states that
the energy is equally divided between kinetic and potential energy. These
identities allow us to determine how potential energy is shared between
magnetic field energy and internal energy in the magnetosonic waves. The wave
pressure <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>p</mml:mi></mml:math></inline-formula> depends on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and in these coordinates

                  <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E19"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="{" close="}"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

              so we can square Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E14"/>) and use
Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.E18"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.E7"/>) to show that
the internal energy density is

                  <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E20"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p>We can also find an expression for the wave potential energy associated with
the magnetic field perturbation. For the magnetosonic waves <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula> is co-planar
with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, so Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E13"/>) may be written
              <disp-formula id="App1.Ch1.E21" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub><mml:mo>;</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            so that
              <disp-formula id="App1.Ch1.E22" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            From Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.E8"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.E16"/>) it follows
that
              <disp-formula id="App1.Ch1.E23" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p>Note that, although we have used a particular local coordinate system to
obtain these expressions for the wave internal energy and magnetic potential
energy, the final expressions for these quantities are independent of the
system of coordinates used.</p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S1.SS2.SSS4">
  <title>Power supplied to the magnetosonic waves by the unperturbed plasma</title>
      <p>Part of the power supplied to the magnetosonic waves comes from the product
of the term
              <disp-formula id="App1.Ch1.Ex10"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E72"/>) and the tensor <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
We express the products of first-order field components in terms of the wave
energy density <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>U</mml:mi></mml:math></inline-formula> by using the local field-aligned coordinates of
Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S4.SS4"/>. Note that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> have no component
perpendicular to the plane of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Then

                  <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfenced close="}" open="{"><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfenced close="}" open="{"><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E24"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub></mml:mfenced><mml:mfenced open="{" close="}"><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

              Now use Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.E21"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.E12"/>) to
express <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in terms of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Then <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
can be related to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>U</mml:mi></mml:math></inline-formula> through Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.E16"/>), and we get

                  <disp-formula specific-use="align"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="{" close=""><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfenced close="}" open="."><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mfenced><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S1.SS2.SSS5">
  <?xmltex \opttitle{Rate of change of $\omega _{0}$ with respect to $t$}?><title>Rate of change of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with respect to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula></title>
      <p>The dispersion relation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E18"/>) for magnetosonic
waves can be formally written
              <disp-formula id="App1.Ch1.E26" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.</mml:mn></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a function of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula> through the dependence of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> on these quantities. Then

                  <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E27"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msub></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

              We need the derivatives of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with respect to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula>. From
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E19"/>) and using Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E3"/>) and
(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E4"/>) we get

                  <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E28"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

              and from Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E20"/>) and using
Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E6"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E4"/>) we
get
              <disp-formula id="App1.Ch1.E29" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
            Also, from Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E18"/>),
              <disp-formula id="App1.Ch1.E30" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced open="{" close="}"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

              <disp-formula id="App1.Ch1.E31" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced close="}" open="{"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

              <disp-formula id="App1.Ch1.E32" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced open="{" close="}"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p><?xmltex \hack{\newpage}?>We now evaluate the two terms in the numerator of the right-hand side of
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.E27"/>) in the field-aligned coordinates of
Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S4.SS4"/>.

                  <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced open="{" close="}"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced open="{" close="}"><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mfenced open="{" close="}"><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mfenced open="{" close="}"><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E33"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

              where the last line follows from Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.E8"/>), and

                  <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E34"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

              where the second line follows from Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.E9"/>). Now if we
substitute these results in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.E27"/>), we get

                  <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mfenced><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mfenced open="{" close="}"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E35"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p><?xmltex \hack{\clearpage}?>
</sec>
</sec>
</app>
  </app-group><ack><title>Acknowledgements</title><p>I am grateful to R. Mace for reading and commenting on the
manuscript.<?xmltex \hack{\newline}?><?xmltex \hack{\hspace*{4mm}}?> Topical Editor E. Roussos
thanks two anonymous referees for their help in evaluating this paper.</p></ack><ref-list>
    <title>References</title>

      <ref id="bib1.bibx1"><label>Andries(2010)</label><mixed-citation>Andries, J.: The eigenfrequency spectrum of linear magnetohydrodynamic perturbations in stationary equilibria:
A variational principle, Phys. Plasmas, 17, 112106, <ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1063/1.3505095" ext-link-type="DOI">10.1063/1.3505095</ext-link>, 2010.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx2"><label>Bretherton(1968)</label><mixed-citation>
Bretherton, F. P.: Propagation in slowly varying waveguides, P. Roy. Soc. A-Math. Phy.,
303, 529–554, 1968.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx3"><label>Buckley(1982)</label><mixed-citation>
Buckley, R.: On the calculation of intensity in dispersive inhomogeneous media in the ray approximation, P. R. Soc. Lond. A, 380,
201–209, 1982.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx4"><label>Budden(1961)</label><mixed-citation>
Budden, K. G.: Radio waves in the ionosphere, Cambridge University Press, Cambridge, UK, 1961.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx5"><label>Bretherton and Garrett(1968)</label><mixed-citation>
Bretherton, F. P. and Garrett, C. J. R.: Wavetrains in inhomogeneous moving media, P. Roy. Soc. A-Math. Phy.,
303, 555–576, 1968.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx6"><label>Cally(2006)</label><mixed-citation>Cally, P. S.: Dispersion relations, rays and ray splitting in magnetohelioseismology, Philos. T. Roy. Soc. A, 364, 333–349,
<ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1098/rsta.2005.1702" ext-link-type="DOI">10.1098/rsta.2005.1702</ext-link>, 2006.
</mixed-citation></ref><?xmltex \hack{\newpage}?>
      <ref id="bib1.bibx7"><label>Cally and Andries(2010)</label><mixed-citation>Cally, P. S. and Andries, J.: Resonant absorption as mode conversion?, Solar Phys., 266, 17–38,
<ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1007/s11207-010-9612-6" ext-link-type="DOI">10.1007/s11207-010-9612-6</ext-link>, 2010.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx8"><label>Goedbloed(2009a)</label><mixed-citation>Goedbloed, J. P.: New construction of the magnetohydrodynamic spectrum of stationary plasma flows. I. Solution path and alternator,
Phys. Plasmas, 16, 122110, <ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1063/1.3271164" ext-link-type="DOI">10.1063/1.3271164</ext-link>, 2009a.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx9"><label>Goedbloed(2009b)</label><mixed-citation>Goedbloed, J. P.: New construction of the magnetohydrodynamic spectrum of stationary plasma flows. II. Rayleigh–Taylor and
Kelvin–Helmholtz instability, Phys. Plasmas, 16, 122111, <ext-link xlink:href="http://dx.doi.org/10.1063/1.3271166" ext-link-type="DOI">10.1063/1.3271166</ext-link>, 2009b.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx10"><label>Lighthill(1978)</label><mixed-citation> Lighthill, J.:  Waves in Fluids, Cambridge University Press, Cambridge, UK, 1978.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx11"><label>Walker(2005)</label><mixed-citation>
Walker, A. D. M.:  Magnetohydrodynamic Waves in Geospace –
The theory of ULF waves and their interaction with energetic particles in the solar-terrestrial environment, IOP Press, Bristol, UK, 2005.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx12"><label>Walker(2008)</label><mixed-citation>
Walker, A. D. M.: Ray Tracing of Magnetohydrodynamic Waves in Geospace,  Radio Sci. Bull.,  325, 24–35, 2008.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx13"><label>Whitham(1965)</label><mixed-citation>
Whitham, G. B.: A general approach to linear and non-linear dispersive waves using a Lagrangian, J. Fluid Mech.,
22, 273–283, 1965.</mixed-citation></ref>

  </ref-list><app-group content-type="float"><app><title/>

    </app></app-group></back>
    </article>
