<?xml version="1.0" encoding="UTF-8" standalone="no"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" article-type="research-article">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Astron. Space Sci.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Astronomy and Space Sciences</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Astron. Space Sci.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2296-987X</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fspas.2019.00020</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Astronomy and Space Sciences</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Mixed Properties of MHD Waves in Non-uniform Plasmas</article-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name><surname>Goossens</surname> <given-names>Marcel L.</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1"><sup>1</sup></xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001"><sup>&#x0002A;</sup></xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/599559/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Arregui</surname> <given-names>Inigo</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff2"><sup>2</sup></xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff3"><sup>3</sup></xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/164894/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Van Doorsselaere</surname> <given-names>Tom</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1"><sup>1</sup></xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/227167/overview"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1"><sup>1</sup><institution>Department of Mathematics, Centre for Mathematical Plasma Astrophysics, KU Leuven</institution>, <addr-line>Leuven</addr-line>, <country>Belgium</country></aff>
<aff id="aff2"><sup>2</sup><institution>Instituto de Astrof&#x000ED;sica de Canarias</institution>, <addr-line>Santa Cruz de Tenerife</addr-line>, <country>Spain</country></aff>
<aff id="aff3"><sup>3</sup><institution>Departamento de Astrof&#x000ED;sica, Universidad de La Laguna</institution>, <addr-line>San Crist&#x000F3;bal de La Laguna</addr-line>, <country>Spain</country></aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by"><p>Edited by: Xueshang Feng, State Key Laboratory of Space Weather, National Space Science Center (CAS), China</p></fn>
<fn fn-type="edited-by"><p>Reviewed by: S. P. Rajaguru, Indian Institute of Astrophysics, India; Xi Luo, Chinese Academy of Sciences, China</p></fn>
<corresp id="c001">&#x0002A;Correspondence: Marcel L. Goossens <email>marcel.goossens&#x00040;kuleuven.be</email></corresp>
<fn fn-type="other" id="fn001"><p>This article was submitted to Stellar and Solar Physics, a section of the journal Frontiers in Astronomy and Space Sciences</p></fn></author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>11</day>
<month>04</month>
<year>2019</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2019</year>
</pub-date>
<volume>6</volume>
<elocation-id>20</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>16</day>
<month>01</month>
<year>2019</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>19</day>
<month>03</month>
<year>2019</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#x000A9; 2019 Goossens, Arregui and Van Doorsselaere.</copyright-statement>
<copyright-year>2019</copyright-year>
<copyright-holder>Goossens, Arregui and Van Doorsselaere</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/"><p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p></license>
</permissions>
<abstract><p>This paper investigates the mixed properties of MHD waves in a non-uniform plasma. It starts with a short revision of MHD waves in a uniform plasma of infinite extent. In that case the MHD waves do not have mixed properties. They can be separated in Alfv&#x000E9;n waves and magneto-sonic waves. The Alfv&#x000E9;n waves propagate parallel vorticity and are incompressible. In addition they have no parallel displacement component. The magneto-sonic waves are compressible and in general do have a parallel component of displacement but do not propagate parallel vorticity. This clear separation has been the reason why there has been a strong inclination in the literature to use this classification in the study of MHD waves in non-uniform plasmas. The main part of this paper is concerned with MHD waves in a non-uniform plasma. It is shown that the MHD waves in that situation in general propagate both vorticity and compression and hence have mixed properties. Finally, the close connection between resonant absorption and MHD waves with mixed properties is discussed.</p></abstract>
<kwd-group>
<kwd>magnetohydrodynamics (MHD)</kwd>
<kwd>Sun: atmosphere</kwd>
<kwd>Sun: magnetic fields</kwd>
<kwd>Sun: corona</kwd>
<kwd>Sun: oscillations</kwd>
<kwd>waves</kwd>
</kwd-group>
<contract-sponsor id="cn001">Ministerio de Econom&#x000ED;a, Industria y Competitividad, Gobierno de Espa&#x000F1;a<named-content content-type="fundref-id">10.13039/501100010198</named-content></contract-sponsor>
<contract-sponsor id="cn002">European Research Council<named-content content-type="fundref-id">10.13039/501100000781</named-content></contract-sponsor>
<counts>
<fig-count count="0"/>
<table-count count="0"/>
<equation-count count="124"/>
<ref-count count="52"/>
<page-count count="14"/>
<word-count count="9098"/>
</counts>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec sec-type="intro" id="s1">
<title>1. Introduction</title>
<p>Most textbooks on Magnetohydrodynamics (MHD) and plasma physics contain at least an elementary discussion of MHD waves in a uniform plasma of infinite extent (see e.g., Thompson, <xref ref-type="bibr" rid="B45">1964</xref>; Mestel and Weiss, <xref ref-type="bibr" rid="B31">1974</xref>; Goedbloed, <xref ref-type="bibr" rid="B14">1983</xref>; Goossens, <xref ref-type="bibr" rid="B17">2003</xref>; Goedbloed and Poedts, <xref ref-type="bibr" rid="B16">2004</xref>; Walker, <xref ref-type="bibr" rid="B50">2004</xref>). It is shown that the MHD waves are either Alfv&#x000E9;n waves or slow/fast magneto-sonic waves. The Alfv&#x000E9;n waves are incompressible and propagate parallel vorticity. They do not have a parallel component of displacement and are driven by magnetic tension only. The magneto-sonic waves are compressible and have a parallel component of displacement. They do not propagate parallel vorticity and are driven by pressure and magnetic tension. In non-uniform plasmas the situation can be very different. The clear division between Alfv&#x000E9;n waves and magneto-sonic waves is no longer present. The MHD waves have mixed properties in non-uniform plasmas. Mixed properties mean that the general rule is that MHD waves propagate both parallel vorticity as in classic Alfv&#x000E9;n waves and compression as in classic magneto-sonic waves. This behavior causes exciting wave physics. For instance, the phenomenon of MHD waves with mixed properties can lead to damping, with relevance in explaining the attenuation observed in coronal and prominence oscillations and discussed by Goossens et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B19">2002a</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B23">2011</xref>), Terradas et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B44">2006</xref>), Arregui et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B7">2008</xref>), Pascoe et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B33">2010</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B34">2011</xref>), among many others. The use of the information on wave damping has also been found useful to perform solar coronal seismology (see e.g., Goossens et al., <xref ref-type="bibr" rid="B19">2002a</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B21">2008</xref>; Arregui et al., <xref ref-type="bibr" rid="B6">2007</xref>; Goossens, <xref ref-type="bibr" rid="B18">2008</xref>). The mixed properties arise because in an inhomogeneous plasma the Eulerian perturbation of total pressure couples with the dynamics of the motion (Hasegawa and Uberoi, <xref ref-type="bibr" rid="B30">1982</xref>). Mathematically this is translated into the fact that the differential equations for the radial component of the Lagrangian displacement &#x003BE;<sub><italic>r</italic></sub> and the Eulerian perturbation of total pressure <italic>P</italic>&#x02032; are coupled to algebraic equations for compression <inline-formula><mml:math id="M1"><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, the parallel and perpendicular projections of the Lagrangian displacement &#x003BE;<sub>&#x02225;</sub>, &#x003BE;<sub>&#x022A5;</sub>, and vorticity <inline-formula><mml:math id="M2"><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> <xref ref-type="fn" rid="fn0001"><sup>1</sup></xref>. The coupling of the equations is due to the coupling functions <italic>C</italic><sub><italic>A</italic></sub> and <italic>C</italic><sub><italic>S</italic></sub> which were introduced by Sakurai et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B39">1991b</xref>) in their study of resonant absorption. The relevance of the coupling functions goes beyond resonant absorption. The spatial behavior of the coupling functions and of the local Alfv&#x000E9;n frequency &#x003C9;<sub><italic>A</italic></sub> and local cusp frequency &#x003C9;<sub><italic>C</italic></sub> determine the spatial behavior of the various components of velocity and vorticity and of compression. The simultaneous presence of compression and vorticity is hard to avoid.</p>
<p>Goossens et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B29">2009</xref>) investigated the forces that drive these waves and found that the magnetic tension force always dominates the pressure force for the kink mode. In addition, they showed that compression is small in the particular case of thin tubes. Hence, these waves do not have the typical properties of fast magneto-sonic waves and behave more as Alfv&#x000E9;n waves. Goossens et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B23">2011</xref>) reconsidered these waves in their section on quasi-modes and decided to call them surface Alfv&#x000E9;n waves. In the present paper, we continue the theoretical investigation of the nature of the waves. In section 2, we describe pure Alfv&#x000E9;n and pure magneto-acoustic waves in a uniform plasma of infinite extent, by analysing their eigenfrequencies, eigenfunctions, vorticity and compression. In section 3, the analysis is generalized to MHD waves in non-uniform plasmas, which propagate both compression and parallel vorticity at the same time. This leads to new expressions for the components of vorticity that are derived for axi-symmetric/non-axi-symmetric motions in a non-uniform 1-dimensional cylindrical plasma. In section 4, we show that resonant Alfv&#x000E9;n /slow waves are characterized by strong shear in the perpendicular/parallel component of displacement with large values of the parallel/perpendicular component of vorticity. This strong shear causes violent KH-instabilities (Terradas et al., <xref ref-type="bibr" rid="B42">2008</xref>; Antolin et al., <xref ref-type="bibr" rid="B2">2018</xref>) that accelerate the damping of the MHD waves and facilitate heating of plasma (Antolin et al., <xref ref-type="bibr" rid="B1">2015</xref>; Arregui, <xref ref-type="bibr" rid="B5">2015</xref>; Terradas and Arregui, <xref ref-type="bibr" rid="B43">2018</xref>).</p>
</sec>
<sec id="s2">
<title>2. Linear MHD Waves of a Uniform Plasma of Infinite Extent</title>
<p>The properties of MHD waves in a uniform plasma of infinite extent are often used to characterize MHD waves in general. For a uniform plasma of infinite extent the MHD waves can be subdivided into two classes with distinct properties. The first class contains the magneto-sonic waves. They are compressive but do not propagate parallel vorticity. The second class contains the Alfv&#x000E9;n waves. Alfv&#x000E9;n waves propagate parallel vorticity and are incompressible. The equilibrium quantities are constant. The constant magnetic field</p>
<disp-formula id="E1"><label>(1)</label><mml:math id="M10"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>is used to define the direction of the <italic>z</italic>- axis of a Cartesian system of coordinates. The equilibrium density and pressure are constant</p>
<disp-formula id="E2"><label>(2)</label><mml:math id="M11"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">constant</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">constant</mml:mtext><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>In what follows <inline-formula><mml:math id="M12"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is the Lagrangian displacement. In the present subsection the background is static and uniform. As a consequence solutions can be obtained in the form of plane harmonic waves and <inline-formula><mml:math id="M13"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is written</p>
<disp-formula id="E3"><label>(3)</label><mml:math id="M14"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo class="qopname">exp</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="qopname">&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>.</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="qopname">&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="qopname">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo class="qopname">&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo class="qopname">exp</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Here <inline-formula><mml:math id="M15"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is the constant amplitude of <inline-formula><mml:math id="M16"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M17"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the wave vector, and &#x003C9; is the frequency of the wave. In what follows the hat on <inline-formula><mml:math id="M18"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> will be dropped. Since the constant magnetic field defines a preferred direction a clever choice of dependent wave variables is <italic>X, Y, Z</italic> defined as</p>
<disp-formula id="E5"><label>(4)</label><mml:math id="M20"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">displacement parallel to</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">compression</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">component of vorticity</mml:mtext></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;parallel to</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p><italic>X, Y, Z</italic> are dimensionless quantities and allow us to obtain an elegant version of the governing equations. In terms of these variables the equations for linear ideal MHD waves can be written as</p>
<disp-formula id="E7"><label>(5)</label><mml:math id="M22"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="right"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="right"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="right"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="right"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p><italic>v</italic><sub><italic>A</italic></sub>, <italic>v</italic><sub><italic>S</italic></sub> are the Alfv&#x000E9;n velocity and the velocity of sound. They are defined by</p>
<disp-formula id="E8"><label>(6)</label><mml:math id="M23"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>&#x003C9;<sub><italic>A</italic></sub> is the local Alfv&#x000E9;n frequency. It is defined as</p>
<disp-formula id="E9"><label>(7)</label><mml:math id="M24"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>In a uniform plasma <italic>v</italic><sub><italic>A</italic></sub>, <italic>v</italic><sub><italic>S</italic></sub>, &#x003C9;<sub><italic>A</italic></sub> are constant. In a non-uniform plasma these quantities depend on position.</p>
<p>The system (5) consists of two uncoupled subsets of equations. The first subset is the third equation for the variable <italic>Z</italic>. The second subset contains the wave variables &#x003BE;<sub><italic>z</italic></sub> and <italic>Y</italic>. The first type of MHD waves are characterized by</p>
<disp-formula id="E10"><label>(8)</label><mml:math id="M25"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo>&#x02260;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>They are the classic Alfv&#x000E9;n waves. The eigenfrequencies associated with the Alfv&#x000E9;n waves (8) are infinitely degenerate as they only depend on the parallel component of the wave vector <inline-formula><mml:math id="M26"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>. Alfv&#x000E9;n waves do not cause compression and have no component of the displacement parallel to the magnetic field. They are the only waves that propagate parallel vorticity in a uniform plasma of infinite extent. The only restoring force is the magnetic tension force. Note also that Alfv&#x000E9;n waves in a uniform plasma of infinite extent exist for any wave vector <inline-formula><mml:math id="M27"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>The displacement <inline-formula><mml:math id="M28"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> for Alfv&#x000E9;n waves is</p>
<disp-formula id="E11"><label>(9)</label><mml:math id="M29"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>For <italic>k</italic><sub><italic>y</italic></sub> &#x0003D; 0 we obtain the popular result <inline-formula><mml:math id="M30"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. These <italic>y</italic>- independent Alfv&#x000E9;n waves are a special case. In the cylindrical case <italic>k</italic><sub><italic>y</italic></sub> &#x0003D; 0 and <italic>k</italic><sub><italic>y</italic></sub> &#x02260; 0 correspond to respectively axisymmetric waves with <italic>m</italic> &#x0003D; 0 and to non-axisymmetric waves with <italic>m</italic> &#x02260; 0 with <italic>m</italic> the azimuthal wave number. For a wave vector with both horizontal components of the wave vector different from zero both horizontal components of the displacement vector are non-zero. Let us now keep <italic>k</italic><sub><italic>y</italic></sub> &#x02260; 0, <italic>k</italic><sub><italic>z</italic></sub> &#x02260; 0 and mimic a situation with non-uniformity in the <italic>x</italic>- direction and a resonant condition where lim <italic>k</italic><sub><italic>x</italic></sub> &#x02192; &#x0002B;&#x0221E; so that &#x02223;<italic>k</italic><sub><italic>y</italic></sub> &#x02223; &#x0226A; &#x02223;<italic>k</italic><sub><italic>x</italic></sub> &#x02223;, &#x02223;<italic>k</italic><sub><italic>z</italic></sub> &#x02223; &#x0226A; &#x02223;<italic>k</italic><sub><italic>x</italic></sub> &#x02223;. Find then</p>
<disp-formula id="E12"><label>(10)</label><mml:math id="M31"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0226B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The motion in the Alfv&#x000E9;n wave is predominantly in the <italic>y</italic>- direction and rapidly varying in the <italic>x</italic>- direction. The displacement (10) is not <italic>y</italic>- independent because of the factor exp(<italic>ik</italic><sub><italic>y</italic></sub><italic>y</italic>) with <italic>k</italic><sub><italic>y</italic></sub> &#x02260; 0. The &#x02248; sign means that the two components (&#x003BE;<sub><italic>x</italic></sub>, &#x003BE;<sub><italic>y</italic></sub>) are non-zero but &#x003BE;<sub><italic>y</italic></sub> is far larger in absolute value than &#x003BE;<sub><italic>x</italic></sub>. The two components are needed to satisfy the incompressibility condition.</p>
<p>For a general wave vector <inline-formula><mml:math id="M32"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> the three components of vorticity <inline-formula><mml:math id="M33"><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> are non-zero. In addition to the parallel component <inline-formula><mml:math id="M34"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> also the components in planes normal to <inline-formula><mml:math id="M35"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> are non-zero:</p>
<disp-formula id="E14"><label>(11)</label><mml:math id="M37"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>For our later discussion on resonant Alfv&#x000E9;n waves it is instructive to look at the components of vorticity <inline-formula><mml:math id="M38"><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> under conditions that mimic resonant behavior, i.e., when &#x02223;<italic>k</italic><sub><italic>y</italic></sub> &#x02223; &#x0226A; &#x02223;<italic>k</italic><sub><italic>x</italic></sub> &#x02223;, &#x02223;<italic>k</italic><sub><italic>z</italic></sub> &#x02223; &#x0226A; &#x02223;<italic>k</italic><sub><italic>x</italic></sub> &#x02223; and find that</p>
<disp-formula id="E15"><mml:math id="M39"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0226B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0226B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Hence</p>
<disp-formula id="E16"><mml:math id="M40"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:mo>&#x0226A;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:mo>&#x0226A;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>so that</p>
<disp-formula id="E17"><label>(12)</label><mml:math id="M41"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Here also the &#x02248; sign means that the three components <inline-formula><mml:math id="M42"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are non-zero but the parallel component is far larger in absolute value than the two horizontal components.</p>
<p>The second class of MHD waves corresponds to</p>
<disp-formula id="E18"><label>(13)</label><mml:math id="M43"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>&#x02260;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02260;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>They are the magneto-sonic waves. They cause compression but do not propagate parallel vorticity. However, they cause horizontal vorticity. Their displacement has a component parallel to the magnetic field that is driven by the magnetic pressure force. The dispersion relation is</p>
<disp-formula id="E19"><label>(14)</label><mml:math id="M44"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The well-known solutions for the eigenfrequencies are</p>
<disp-formula id="E20"><label>(15)</label><mml:math id="M45"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x000B1;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p><inline-formula><mml:math id="M46"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, &#x003C9;<sub><italic>C</italic></sub>, and <italic>v</italic><sub><italic>C</italic></sub> are the cusp frequency, and the cusp velocity.</p>
<disp-formula id="E21"><label>(16)</label><mml:math id="M47"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>In Equation (15) &#x0201C;sl&#x0201D; corresponds to the minus sign, and &#x0201C;f&#x0201D; to the plus sign. The corresponding waves are the slow and fast magneto-sonic waves. The frequencies of the magneto-sonic waves depend on the three components (<italic>k</italic><sub><italic>x</italic></sub>, <italic>k</italic><sub><italic>y</italic></sub>, <italic>k</italic><sub><italic>z</italic></sub>) of the wave vector <inline-formula><mml:math id="M48"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>. They depend in the same way on <italic>k</italic><sub><italic>x</italic></sub> and <italic>k</italic><sub><italic>y</italic></sub> because of isotropy in the planes normal to <inline-formula><mml:math id="M49"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. It is instructive to consider the variation of <inline-formula><mml:math id="M50"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> as function of <italic>k</italic><sub><italic>x</italic></sub> for fixed values of (<italic>k</italic><sub><italic>y</italic></sub>, <italic>k</italic><sub><italic>z</italic></sub>). The cut-off frequencies &#x003C9;<sub><italic>I</italic></sub>, &#x003C9;<sub><italic>II</italic></sub> are defined as</p>
<disp-formula id="E22"><label>(17)</label><mml:math id="M51"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Also</p>
<disp-formula id="E23"><label>(18)</label><mml:math id="M52"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">lim</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">lim</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The cut-off frequencies &#x003C9;<sub><italic>I</italic></sub>, &#x003C9;<sub><italic>II</italic></sub> and the characteristic frequencies &#x003C9;<sub><italic>A</italic></sub>, &#x003C9;<sub><italic>C</italic></sub> obey the sequence of inequalities</p>
<disp-formula id="E24"><label>(19)</label><mml:math id="M53"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Hence the spectrum of linear motions of a uniform plasma of infinite extent can be divided in a slow subspectrum ]&#x003C9;<sub><italic>C</italic></sub>, &#x003C9;<sub><italic>I</italic></sub>], a degenerate Alfv&#x000E9;n point spectrum &#x003C9;<sub><italic>A</italic></sub> and a fast subspectrum [&#x003C9;<sub><italic>II</italic></sub>, &#x0002B;&#x0221E;[. The first equality in (18) means that &#x003C9;<sub><italic>C</italic></sub> is an accumulation point of the slow subspectrum.</p>
<p>The magneto-sonic waves are driven by tension and pressure forces and cause variations in density and pressure and horizontal vorticity.</p>
<p>The solutions for the eigenfunctions are</p>
<disp-formula id="E25"><label>(20)</label><mml:math id="M54"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>or equivalently,</p>
<disp-formula id="E26"><label>(21)</label><mml:math id="M55"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The popular view is that the horizontal motion (&#x003BE;<sub><italic>x</italic></sub>, &#x003BE;<sub><italic>y</italic></sub>) is the dominant motion for fast waves while the parallel motion &#x003BE;<sub><italic>z</italic></sub> is the dominant motion for slow waves. In order to point out that this is not the general rule, &#x003BE;<sub><italic>x</italic></sub> is used as the measuring unit in (20) and &#x003BE;<sub><italic>z</italic></sub> in (21). It is straightforward to show that in general the parallel component in (20) is not small compared to the horizontal components, and similarly that the horizontal components in (21) are not <italic>per se</italic> much smaller than the parallel component. However, for strong magnetic fields, i.e., <italic>v</italic><sub><italic>A</italic></sub> &#x0226B; <italic>v</italic><sub><italic>S</italic></sub> it can be shown that</p>
<disp-formula id="E27"><label>(22)</label><mml:math id="M56"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The popular view corresponds to the limiting case of a strong field.</p>
<p>The parallel component of vorticity <inline-formula><mml:math id="M57"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>Z</mml:mi></mml:math></inline-formula> is of course zero. However, the horizontal components are non-zero</p>
<disp-formula id="E28"><label>(23)</label><mml:math id="M58"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>For <italic>k</italic><sub><italic>y</italic></sub> &#x0003D; 0 the expressions (20) for the displacement <inline-formula><mml:math id="M59"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> and (23) for vorticity <inline-formula><mml:math id="M60"><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> can be simplified to</p>
<disp-formula id="E29"><label>(24)</label><mml:math id="M61"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Keep <italic>k</italic><sub><italic>y</italic></sub> &#x02260; 0, <italic>k</italic><sub><italic>z</italic></sub> &#x02260; 0 and finite and mimic a situation with non-uniformity in the <italic>x</italic>- direction and a turning point where <italic>k</italic><sub><italic>x</italic></sub> &#x0003D; 0 and find</p>
<disp-formula id="E30"><label>(25)</label><mml:math id="M62"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>In summary for a uniform plasma of infinite extent the division is clear. The equation for vorticity is uncoupled from the equations for compression and parallel displacement. The waves have either parallel vorticity and no compression and no parallel displacement, these are the Alfv&#x000E9;n waves, or they have compression and parallel displacement and no parallel vorticity, they are magneto-sonic waves. There are no waves with compression and parallel vorticity at the same time. There is no mixing of properties.</p>
<p>For a pressureless plasma with</p>
<disp-formula id="E31"><label>(26)</label><mml:math id="M63"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>the solutions for the magnetosonic waves are</p>
<disp-formula id="E33"><label>(27)</label><mml:math id="M65"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>In this situation there are no slow waves and the fast magneto-sonic waves have no parallel motions. The parallel motions are driven by the gradient of plasma pressure and here plasma pressure vanishes by assumption. The absence of slow waves and of parallel motions is a general result for a pressureless plasma. In what follows, no particular attention will be devoted to pressureless plasmas. The equations for MHD waves for a pressureless plasma are easily obtained by putting <inline-formula><mml:math id="M66"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> in the general equations.</p>
</sec>
<sec id="s3">
<title>3. Mixed Properties in Non-Uniform Plasmas</title>
<p>The aim of the present section is to show that MHD waves in a non-uniform plasma have mixed properties. In general they propagate compression and parallel vorticity at the same time. The phenomenon of mixed properties follows from the fact that the equations that describe the linear motions are coupled, unlike for the case of a uniform plasma of infinite extent. In particular the focus is on MHD waves on 1-D cylindrical plasma columns. The equilibrium model is a straight cylindrical plasma column of radius <italic>R</italic> in static equilibrium. In what follows we use cylindrical coordinates <italic>r</italic>, &#x003C6;, <italic>z</italic>. The magnetic field has both an axial and an azimuthal component</p>
<disp-formula id="E34"><label>(28)</label><mml:math id="M67"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The equilibrium density &#x003C1;<sub>0</sub>(<italic>r</italic>), equilibrium pressure <italic>p</italic><sub>0</sub>(<italic>r</italic>), and the components of the equilibrium magnetic field <italic>B</italic><sub><italic>z</italic>,0</sub>(<italic>r</italic>), <italic>B</italic><sub>&#x003C6;,0</sub>(<italic>r</italic>) are functions of <italic>r</italic> or constant. The equilibrium quantities satisfy the equation of static equilibrium</p>
<disp-formula id="E35"><label>(29)</label><mml:math id="M68"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>In a nonuniform plasma <inline-formula><mml:math id="M69"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M70"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M71"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M72"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> are functions of position. In what follows <italic>f</italic>&#x02032; and &#x003B4;<italic>f</italic> denote respectively the Eulerian and Lagrangian variation of a quantity <italic>f</italic>. In linear theory they are related as</p>
<disp-formula id="E36"><label>(30)</label><mml:math id="M73"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>with <italic>f</italic><sub>0</sub> the equilibrium value of <italic>f</italic>. In the following equations <inline-formula><mml:math id="M74"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the Eulerian perturbation of total pressure; <italic>p</italic>&#x02032; is the Eulerian perturbation of plasma pressure. <inline-formula><mml:math id="M75"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is the Lagrangian displacement.</p>
<p>We use the mixed field line / magnetic surface triad <inline-formula><mml:math id="M76"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> defined by Goedbloed et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B15">2010</xref>) in their Equations (17.23). In the present case of a straight cylindrical flux tube with the equilibrium magnetic field <inline-formula><mml:math id="M77"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> defined in the Equation (28)</p>
<disp-formula id="E37"><mml:math id="M78"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>with <inline-formula><mml:math id="M80"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> the unit vectors in the magnetic surfaces respectively parallel and perpendicular to the magnetic field lines.</p>
<p>&#x003BE;<sub><italic>r</italic></sub> is the radial component of Lagrangian displacement and &#x003BE;<sub>&#x02225;</sub>, &#x003BE;<sub>&#x022A5;</sub> are the projections of the Lagrangian displacement in the magnetic surfaces parallel and perpendicular to the magnetic field lines:</p>
<disp-formula id="E39"><label>(31)</label><mml:math id="M81"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Since the equilibrium quantities are independent of &#x003C6; and <italic>z</italic> the wave variables can be put proportional to the exponential factor exp[<italic>i</italic>(<italic>m&#x003C6;</italic> &#x0002B; <italic>k</italic><sub><italic>z</italic></sub><italic>z</italic>)] with <italic>m, k</italic><sub><italic>z</italic></sub> the azimuthal and axial wave numbers, <italic>m</italic> is an integer. For example, for the Lagrangian displacement we write</p>
<disp-formula id="E40"><label>(32)</label><mml:math id="M82"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="qopname">exp</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p><inline-formula><mml:math id="M83"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the radially varying amplitude of <inline-formula><mml:math id="M84"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>. In what follows the hat on <inline-formula><mml:math id="M85"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> and on the other wave variables will be omitted. It is convenient to introduce the wave vector <inline-formula><mml:math id="M86"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>The linear MHD waves can be described by two ordinary differential equations for &#x003BE;<sub><italic>r</italic></sub> and <italic>P</italic>&#x02032; (see e.g., Appert et al., <xref ref-type="bibr" rid="B4">1974</xref>; Sakurai et al., <xref ref-type="bibr" rid="B39">1991b</xref>; Goossens et al., <xref ref-type="bibr" rid="B24">1992</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B27">1995</xref>)</p>
<disp-formula id="E41"><label>(33)</label><mml:math id="M88"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>D</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal"></mml:mtext></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>D</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The coefficient functions <italic>D, C</italic><sub>1</sub>, <italic>C</italic><sub>2</sub>, <italic>C</italic><sub>3</sub> are given by</p>
<disp-formula id="E42"><label>(34)</label><mml:math id="M89"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>m</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p><italic>v</italic><sub><italic>A</italic></sub> and <italic>v</italic><sub><italic>S</italic></sub> are the Alfv&#x000E9;n speed and the speed of sound as before and are defined in Equation (6). In a non-uniform plasma they are functions of position. The quantities <italic>f</italic><sub><italic>B</italic></sub> and <italic>g</italic><sub><italic>B</italic></sub> are defined as</p>
<disp-formula id="E45"><label>(35)</label><mml:math id="M90"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The frequencies &#x003C9;<sub><italic>A</italic></sub> and &#x003C9;<sub><italic>C</italic></sub> are the local Alfv&#x000E9;n frequency and the local cusp frequency as before. They are defined for the planar case in Equation (7). Here in the cylindrical case their squares are defined as</p>
<disp-formula id="E46"><label>(36)</label><mml:math id="M91"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Note that &#x003C9;<sub><italic>A</italic></sub> and &#x003C9;<sub><italic>C</italic></sub> are functions of position. For a given set of wave numbers (<italic>m, k</italic><sub><italic>z</italic></sub>) &#x003C9;<sub><italic>A</italic></sub> and &#x003C9;<sub><italic>C</italic></sub> map out two ranges of frequencies known as the Alfv&#x000E9;n continuum and the cusp continuum. The frequencies &#x003C9;<sub><italic>I</italic></sub>, &#x003C9;<sub><italic>II</italic></sub> are defined as</p>
<disp-formula id="E47"><label>(37)</label><mml:math id="M92"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x000B1;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>They are the cylindrical analogues of the Cartesian cut-off frequencies defined in (17). Here they are not cut-off frequencies but rather frequencies that restrict the Sturmian or anti-Sturmian behavior of the spectrum as explained by Goedbloed (<xref ref-type="bibr" rid="B13">1975</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B14">1983</xref>).</p>
<p>To emphasize that parallel motions are solely driven by the gradient plasma pressure force, the parallel component of the equation of motion is written as</p>
<disp-formula id="E49"><label>(38)</label><mml:math id="M93"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>&#x003B4;<italic>p</italic> is the Lagrangian variation of plasma pressure.</p>
<p>For the discussion of the mixed properties it is necessary to look at the wave variables <inline-formula><mml:math id="M96"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M97"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. They are given by expressions in &#x003BE;<sub><italic>r</italic></sub> and <italic>P</italic>&#x02032; and their derivatives. Algebraic expressions for <inline-formula><mml:math id="M98"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> can be found in e.g., Sakurai et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B39">1991b</xref>)</p>
<disp-formula id="E50"><label>(39)</label><mml:math id="M94"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The coupling functions are defined as (see e.g., Sakurai et al., <xref ref-type="bibr" rid="B39">1991b</xref>)</p>
<disp-formula id="E52"><label>(40)</label><mml:math id="M95"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>They are linear combinations of <italic>P</italic>&#x02032; and &#x003BE;<sub><italic>r</italic></sub>. The coefficients of &#x003BE;<sub><italic>r</italic></sub> in <italic>C</italic><sub><italic>A</italic></sub> and <italic>C</italic><sub><italic>S</italic></sub> vanish when the equilibrium magnetic field is straight <italic>B</italic><sub>&#x003C6;,0</sub> &#x0003D; 0. <italic>C</italic><sub><italic>A</italic></sub> depends on the azimuthal wave number <italic>m</italic> and the longitudinal wave number <italic>k</italic><sub><italic>z</italic></sub>. <italic>C</italic><sub><italic>S</italic></sub> on the other hand is independent of the wave numbers (<italic>m, k</italic><sub><italic>z</italic></sub>). The coupling functions play an essential role for the mixing properties of MHD waves and for resonant absorption. They are called coupling functions for the good reason that they couple the differential equations (33) for &#x003BE;<sub><italic>r</italic></sub> and <italic>P</italic>&#x02032; to the expressions for all of the remaining wave variables <inline-formula><mml:math id="M102"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. First they couple the differential equations for &#x003BE;<sub><italic>r</italic></sub> and <italic>P</italic>&#x02032; to the algebraic equations (39) for <inline-formula><mml:math id="M103"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></inline-formula> When <italic>C</italic><sub><italic>A</italic></sub> &#x02260; 0 the first equation of (39) implies that &#x003BE;<sub>&#x022A5;</sub> &#x02260; 0. Similarly when <italic>C</italic><sub><italic>S</italic></sub> &#x02260; 0 the second and third equation of (39) imply that <inline-formula><mml:math id="M104"><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x02260;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. When in addition to <italic>C</italic><sub><italic>S</italic></sub> &#x02260; 0 also <italic>v</italic><sub><italic>S</italic></sub> &#x02260; 0 it follows that &#x003BE;<sub>&#x02225;</sub> &#x02260; 0.</p>
<p>Let us now consider <inline-formula><mml:math id="M105"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In section 2 it was pointed out that a division of linear waves can be based on compression, parallel displacement and parallel vorticity. A characterization based on the components (&#x003BE;<sub><italic>x</italic></sub>, &#x003BE;<sub><italic>y</italic></sub>, &#x003BE;<sub><italic>z</italic></sub>) is in general not possible. When we move from Cartesian geometry to cylindrical geometry the horizontal components (&#x003BE;<sub><italic>x</italic></sub>, &#x003BE;<sub><italic>y</italic></sub>) are replaced by the components (&#x003BE;<sub><italic>r</italic></sub>, &#x003BE;<sub>&#x022A5;</sub>) in the planes normal to <inline-formula><mml:math id="M106"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and &#x003BE;<sub><italic>z</italic></sub> is replaced by the component &#x003BE;<sub>&#x02225;</sub> parallel to the equilibrium magnetic field. For a uniform plasma of infinite extent, the MHD waves could be divided into incompressible waves that propagate parallel vorticity, i.e., the Alfv&#x000E9;n waves and waves that propagate compression and have a parallel displacement component i.e., the magneto-sonic waves. In what follows it will be shown that for a non-uniform plasma MHD waves propagate both compression and parallel vorticity and have non-zero radial, perpendicular and parallel components of displacement and vorticity. To the best of our knowledge expressions for the components of <inline-formula><mml:math id="M107"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are not available in the literature. They are</p>
<disp-formula id="E53"><label>(41)</label><mml:math id="M108"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Expressions for <italic>P</italic><sub>&#x022A5;</sub>, <italic>P</italic><sub>&#x02225;</sub>, <italic>Q</italic><sub>&#x022A5;</sub>, <italic>Q</italic><sub>&#x02225;</sub> are</p>
<disp-formula id="E55"><mml:math id="M110"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The Equations (41) show that the components of <inline-formula><mml:math id="M111"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be expressed in terms of (&#x003BE;<sub><italic>r</italic></sub>, &#x003BE;<sub>&#x022A5;</sub>, &#x003BE;<sub>&#x02225;</sub>). Since &#x003BE;<sub>&#x022A5;</sub>, &#x003BE;<sub>&#x02225;</sub> are expressed in terms of &#x003BE;<sub><italic>r</italic></sub> and <italic>P</italic>&#x02032; it follows that also the components of <inline-formula><mml:math id="M112"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be expressed in terms of &#x003BE;<sub><italic>r</italic></sub> and <italic>P</italic>&#x02032;. When (&#x003BE;<sub><italic>r</italic></sub>, &#x003BE;<sub>&#x022A5;</sub>, &#x003BE;<sub>&#x02225;</sub>) are non-zero, the components of vorticity are in general also non-zero. All of the wave variables are coupled. The MHD waves have mixed properties, they propagate both compression and parallel vorticity and have non-zero radial, perpendicular and parallel components of displacement and vorticity. In general all wave variables are non-zero. A situation in which a subset of the wave variables is not coupled to the other wave variables is an exception. Such a situation will appear for axi-symmetric motions in the presence of a straight field. The clear division into Alfv&#x000E9;n waves and magneto-sonic waves that exists for a uniform plasma of infinite extent does not any longer hold.</p>
<p>Hence in general for linear MHD waves on a non-uniform plasma</p>
<disp-formula id="E56"><label>(42)</label><mml:math id="M113"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02260;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02260;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02260;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02260;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x02260;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02260;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Let us consider the special case of axi-symmetric motions with <italic>m</italic> &#x0003D; 0. The expressions for <italic>f</italic><sub><italic>B</italic></sub>, <italic>g</italic><sub><italic>B</italic></sub>, <italic>C</italic><sub><italic>A</italic></sub>, <italic>C</italic><sub><italic>S</italic></sub> can be simplified to</p>
<disp-formula id="E58"><label>(43)</label><mml:math id="M115"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>For a twisted magnetic field with both a longitudinal component <italic>B</italic><sub><italic>z</italic>,0</sub> and a non-zero azimuthal component <italic>B</italic><sub>&#x003C6;,0</sub>, the coupling functions <italic>C</italic><sub><italic>A</italic></sub> and <italic>C</italic><sub><italic>S</italic></sub> are non-zero. This implies that the preceding analysis on mixed properties also applies to axi-symmetric motions. The axi-symmetric motions propagate vorticity and compression. The situation is different when the magnetic field is straight.</p>
<p>Since <italic>C</italic><sub><italic>A</italic></sub> and <italic>C</italic><sub><italic>S</italic></sub> are functions of position the coupling of the equations depends on position and so does the strength of the mixing of the wave properties. For example a wave can start off as a predominantly fast wave, change into a wave that has both fast and Alfv&#x000E9;n properties and turn into a predominantly Alfv&#x000E9;nic wave. MHD waves have mixed properties and have different appearances in different parts of the plasma because of the inhomogeneity of the plasma. This phenomenon was discussed by Goossens et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B22">2002b</xref>), Goossens (<xref ref-type="bibr" rid="B18">2008</xref>), and Goossens et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B23">2011</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B20">2012</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B28">2014</xref>). Waves with mixed properties are also referred to as coupled MHD waves (Pascoe et al., <xref ref-type="bibr" rid="B33">2010</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B34">2011</xref>). This is a rather strange name as it seems to suggest that there are two or more waves involved.</p>
<p>Let us now focus on MHD waves in the presence of a straight field. For a straight field (<italic>B</italic><sub>&#x003C6;,0</sub> &#x0003D; 0) the magnetic surfaces are cylinders: <italic>r</italic> &#x0003D; constant, and the &#x003C6;- and <italic>z</italic>- directions are the directions in the magnetic surfaces respectively perpendicular and parallel to the magnetic field lines. The <italic>r</italic>- direction is normal to the magnetic surfaces. Hence &#x003BE;<sub><italic>r</italic></sub> is associated with motions normal or across magnetic surfaces; &#x003BE;<sub>&#x02225;</sub> &#x0003D; &#x003BE;<sub><italic>z</italic></sub> are motions along the magnetic field lines and &#x003BE;<sub>&#x022A5;</sub> &#x0003D; &#x003BE;<sub>&#x003C6;</sub> are motions in the magnetic surfaces perpendicular to the magnetic field lines. For a straight field the expressions for <italic>f</italic><sub><italic>B</italic></sub>, <italic>g</italic><sub><italic>B</italic></sub>, <italic>C</italic><sub><italic>A</italic></sub>, <italic>C</italic><sub><italic>S</italic></sub> are simplified to</p>
<disp-formula id="E60"><label>(44)</label><mml:math id="M117"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The coupling functions <italic>C</italic><sub><italic>A</italic></sub>, <italic>C</italic><sub><italic>S</italic></sub> only contain <italic>P</italic>&#x02032;. The coefficients of &#x003BE;<sub><italic>r</italic></sub> in <italic>C</italic><sub><italic>A</italic></sub> and <italic>C</italic><sub><italic>S</italic></sub> vanish when <italic>B</italic><sub>&#x003C6;,0</sub> &#x0003D; 0. Hence the coupling of the waves variables is solely due to <italic>P</italic>&#x02032; as will become clear in what follows. As far as the wave numbers (<italic>m, k</italic><sub><italic>z</italic></sub>) are concerned, <italic>C</italic><sub><italic>A</italic></sub> no longer depends on <italic>k</italic><sub><italic>z</italic></sub>, only on <italic>m</italic>.</p>
<p>The differential equations (33) for &#x003BE;<sub><italic>r</italic></sub> and <italic>P</italic>&#x02032; and the algebraic equations for <inline-formula><mml:math id="M119"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> (39) are now</p>
<disp-formula id="E62"><label>(45)</label><mml:math id="M120"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>D</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Use now (41) and note that for a straight field</p>
<disp-formula id="E64"><mml:math id="M122"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>to obtain</p>
<disp-formula id="E65"><label>(46)</label><mml:math id="M123"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Equations (45) and (46) govern the MHD waves on a non-uniform straight cylindrical plasma column with a straight magnetic field. There is a natural subdivision between, respectively, axi-symmetric motions with <italic>m</italic> &#x0003D; 0 and non-axisymmetric motions with <italic>m</italic> &#x02260; 0. The reason being that the equation for &#x003BE;<sub>&#x003C6;</sub> for <italic>m</italic> &#x0003D; 0 is decoupled from the remaining equations. Let us first focus on axi-symmetric motions with <italic>m</italic> &#x0003D; 0.</p>
<disp-formula id="E67"><label>(47)</label><mml:math id="M125"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The equation for &#x003BE;<sub>&#x022A5;</sub> &#x0003D; &#x003BE;<sub>&#x003C6;</sub> is decoupled from the remaining equations</p>
<disp-formula id="E68"><label>(48)</label><mml:math id="M126"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Equation (48) can be satisfied in two ways. First of all by choosing</p>
<disp-formula id="E69"><label>(49)</label><mml:math id="M127"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02260;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The second choice is</p>
<disp-formula id="E70"><label>(50)</label><mml:math id="M128"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02260;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The solutions given in (49) and (50) correspond respectively to the axi-symmetric Alfv&#x000E9;n waves and the sausage magneto-sonic waves. The axi-symmetric MHD waves are decoupled in sausage magneto-sonic waves and axi-symmetric Alfv&#x000E9;n waves. The solutions for the axi-symmetric magneto-sonic waves are</p>
<disp-formula id="E71"><label>(51)</label><mml:math id="M129"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02260;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02260;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02260;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02260;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr></mml:mtr><mml:mtr></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The solutions for the axi-symmetric Alfv&#x000E9;n waves are</p>
<disp-formula id="E73"><label>(52)</label><mml:math id="M131"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02260;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>For an axi-symmetric non-uniform 1-dimensional cylindrical plasma this is the only case where pure Alfv&#x000E9;n waves show up in the analysis. Each magnetic surface oscillates with its own local Alfv&#x000E9;n frequency. In a twisted magnetic field, <italic>C</italic><sub><italic>A</italic></sub> &#x02260; 0 for <italic>m</italic> &#x0003D; 0 so that the equations are coupled and the corresponding MHD waves have mixed magneto-acoustic and Alfv&#x000E9;n properties. Also <italic>C</italic><sub><italic>S</italic></sub> &#x02260; 0 for any azimuthal wave number <italic>m</italic>. The absence of pure Alfv&#x000E9;n waves in a non-uniform 1-D cylindrical plasma for azimuthal wave numbers <italic>m</italic> &#x02260; 0 is in stark contrast to the situation for a magnetic flux tube with piece wise constant density and magnetic field. Spruit (<xref ref-type="bibr" rid="B41">1982</xref>) showed that solutions with <inline-formula><mml:math id="M133"><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> exist for any <italic>m</italic>. H. Spruit correctly identified these solutions as Alfv&#x000E9;n waves. Flow patterns for Alfv&#x000E9;n waves with <italic>m</italic> &#x0003D; 0 and <italic>m</italic> &#x0003D; 1 are shown on Figure 1 in Spruit (<xref ref-type="bibr" rid="B41">1982</xref>). In addition to the Alfv&#x000E9;n waves there are compressive waves. The fact that pure non-axisymmetric Alfv&#x000E9;n waves do not exist in a non-uniform straight plasma cylinder is an illustration of how the non-uniformity produces waves with mixed properties.</p>
<p>Let us now turn back to the non-axisymmetric MHD waves with <italic>m</italic> &#x02260; 0. Actually the analysis also holds for axi-symmetric MHD waves with &#x003BE;<sub>&#x003C6;</sub> &#x0003D; 0. Excluded from the analysis are the axi-symmetric Alfv&#x000E9;n waves defined in (52). The Equation (46) can be rewritten as</p>
<disp-formula id="E75"><label>(53)</label><mml:math id="M134"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Note that the expressions for the components of vorticity for axi-symmetric magneto-sonic waves can be obtained from (53) by putting <italic>m</italic> &#x0003D; 0.</p>
<p>Here all wave variables are coupled and all wave variables are non-zero. In case of a straight field, it is the non-zero Eulerian perturbation of total pressure <italic>P</italic>&#x02032;&#x02260;0 that produces MHD waves with mixed properties reminiscent of Alfv&#x000E9;n waves and magneto-sonic waves. See also the comments by Hasegawa and Uberoi (<xref ref-type="bibr" rid="B30">1982</xref>) in their Chapter 3 on MHD waves in an inhomogeneous medium.</p>
<p>Special interest goes to the components of &#x02207; &#x000D7; &#x003BE;. It is obvious that (&#x02207; &#x000D7; &#x003BE;)<sub><italic>r</italic></sub> &#x02260; 0 irrespective if the equilibrium is uniform or not. The same is true for (&#x02207; &#x000D7; &#x003BE;)<sub>&#x003C6;</sub>. The second term is always non-zero. The first term is non-zero for a non-uniform equilibrium and for a piece-wise constant density model the derivative results in a delta-function contribution. The parallel component (&#x02207; &#x000D7; &#x003BE;)<sub><italic>z</italic></sub> is non-zero for a non-uniform equilibrium with</p>
<disp-formula id="E77"><label>(54)</label><mml:math id="M136"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>different from zero. In a fully non-uniform equilibrium this condition is satisfied everywhere. In a piece-wise constant density model the derivative results in a delta-function contribution.</p>
<p>Let us try to understand the cause of the vorticity. The equilibrium model is a 1-D straight cylinder with the equilibrium quantities functions of the radial distance <italic>r</italic> to the axis. There is no baroclinic source of vorticity since the iso-surfaces of density and pressure coincide. Equations (41) combined with the expressions for <italic>P</italic><sub>&#x022A5;</sub>, <italic>P</italic><sub>&#x02225;</sub>, <italic>Q</italic><sub>&#x022A5;</sub>, <italic>Q</italic><sub>&#x02225;</sub> in principle contain all the information. They are rather complicated and do not allow a straightforward interpretation. Physical insight can be gained by considering the case of a straight field. For a straight field the equation of motion in the horizontal planes follows from the 2nd and 3rd equations of Equation (45).</p>
<disp-formula id="E78"><label>(55)</label><mml:math id="M137"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p><inline-formula><mml:math id="M138"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the displacement in horizontal planes and &#x02207;<sub><italic>h</italic></sub> is the gradient operator in horizonal planes</p>
<disp-formula id="E79"><mml:math id="M139"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The left hand side of Equation (55) is mass density times acceleration. The first term in the right hand side of Equation (55) is the horizontal gradient total pressure force; the second term is mass density times the magnetic tension force</p>
<disp-formula id="E80"><mml:math id="M140"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Hence</p>
<disp-formula id="E81"><label>(56)</label><mml:math id="M141"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The importance of tension force compared to the horizontal pressure force depends on the frequency of the wave. When <inline-formula><mml:math id="M142"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> the magnetic tension force dominates; when <inline-formula><mml:math id="M143"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> then the the horizontal pressure force dominates; when <inline-formula><mml:math id="M144"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> the horizontal pressure force and the magnetic tension force are of equal strength. For other values of &#x003C9;<sup>2</sup> the actual ratio has to be computed.</p>
<p>From Equation (55)</p>
<disp-formula id="E82"><label>(57)</label><mml:math id="M145"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>This shows that vorticity generated by the horizontal motions is due to the horizontal component of the gradient pressure force and the magnetic tension force. Equation (55) can be solved for &#x003BE;<sub><italic>h</italic></sub> as</p>
<disp-formula id="E83"><label>(58)</label><mml:math id="M146"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x003A6;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x003A6;</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>We can use Equation (56) to estimate for the relative contribution of the magnetic tension force and the horizontal gradient pressure force to the vorticity. Since <inline-formula><mml:math id="M147"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> is non-constant in a non-uniform plasma we anticipate that the magnetic tension force is the dominant contributor to vorticity for <inline-formula><mml:math id="M148"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>; while the horizontal pressure force is the dominant contributor for <inline-formula><mml:math id="M149"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>. Since</p>
<disp-formula id="E84"><mml:math id="M150"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>the result for vorticity is</p>
<disp-formula id="E85"><label>(59)</label><mml:math id="M151"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>&#x003A6;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x003A6;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Equation (59) follows from Equation (53) when we remove from this equation the contribution due to the parallel motions.</p>
<p>In the same manner, we can consider the equation of motion parallel to the magnetic field lines. From the 4th equation of Equation (45) it follows that &#x003BE;<sub><italic>z</italic></sub> is given by</p>
<disp-formula id="E86"><label>(60)</label><mml:math id="M152"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x003A8;</mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x003A8;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The result for vorticity associated with the parallel motion is then</p>
<disp-formula id="E87"><label>(61)</label><mml:math id="M153"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mtext>&#x003A8;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mtext>&#x003A8;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>This shows that vorticity generated by the parallel motions is due to the gradient pressure and vanishes in a pressureless plasma when <inline-formula><mml:math id="M154"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. The sum of <inline-formula><mml:math id="M155"><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> given by Equation (59) and <inline-formula><mml:math id="M156"><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> given by Equation (61) is equal to the result given in Equation (53).</p>
<p>Equations (58) and (59) show that the horizontal motions and vorticity associated with horizontal motions are controlled by the function</p>
<disp-formula id="E88"><mml:math id="M157"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x003A6;</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Conversely Equations (60) and (61) show that the parallel motions and vorticity associated with parallel motions are controlled by the function</p>
<disp-formula id="E89"><mml:math id="M158"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x003A8;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>For non-axisymmetric MHD waves on a non-uniform plasma column with a straight magnetic field all wave variables are non-zero and coupled. The coupling factor is <italic>P</italic>&#x02032;. This means that any given variable can be expressed in terms of another wave variable. Let us see what we can do with for example compression and parallel vorticity. Together with the parallel displacement &#x003BE;<sub><italic>z</italic></sub> these are the two quantities that were used in section 2 to distinguish between Alfv&#x000E9;n waves and magneto-sonic waves. The expressions for compression <inline-formula><mml:math id="M159"><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> and for parallel vorticity <inline-formula><mml:math id="M160"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> for non-axisymmetric motions in a straight field can be rewritten in compact form as</p>
<disp-formula id="E90"><label>(62)</label><mml:math id="M161"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>m</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>with</p>
<disp-formula id="E91"><label>(63)</label><mml:math id="M162"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The ratio of parallel vorticity to compression is</p>
<disp-formula id="E93"><label>(64)</label><mml:math id="M164"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>In addition to the parallel component of vorticity also the components in horizontal planes, i.e., <inline-formula><mml:math id="M165"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> are as a rule non-zero in a non-uniform plasma. MHD waves turn out to be very efficient <italic>in situ</italic> generators of vorticity in non-uniform plasmas. This equation shows that a non-axisymmetric compressional motion immediately generates vorticity and vice versa a vortical motion generates compression. It is impossible to have one property without the other one. MHD waves that propagate compression but no vorticity or vice versa do not exist. The waves have always mixed properties.</p>
<p>The cylindrical model with a straight magnetic field has a Cartesian analogue. The Cartesian version has a vertical magnetic field along the <italic>z</italic>- axis and the direction of inhomogeneity along the <italic>x</italic>- axis. The cylindrical case with a straight field and axi-symmetric waves with <italic>m</italic> &#x0003D; 0 then corresponds to <italic>k</italic><sub><italic>y</italic></sub> &#x0003D; 0. For <italic>k</italic><sub><italic>y</italic></sub> &#x0003D; 0 the Cartesian equations for the wave variables are decoupled in equations for the magneto-sonic waves and equations for Alfv&#x000E9;n waves. However, for <italic>k</italic><sub><italic>y</italic></sub> &#x02260; 0 the equations are coupled and the MHD waves have mixed properties. Examples of this behavior can be found in Tirry and Berghmans (<xref ref-type="bibr" rid="B46">1997</xref>), Tirry et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B47">1997</xref>), De Groof and Goossens (<xref ref-type="bibr" rid="B9">2000</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B10">2002</xref>), and De Groof et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B11">2002</xref>).</p>
</sec>
<sec id="s4">
<title>4. Resonant Absorption of MHD Waves</title>
<p>Let us turn to the discussion of resonant absorption and resonant MHD waves. We have already pointed out that the coupling functions <italic>C</italic><sub><italic>A</italic></sub> and <italic>C</italic><sub><italic>S</italic></sub> depend on position. This implies that the strength of the mixing of the wave properties depends on position. MHD waves have mixed properties and have different appearances in different parts of the plasma because of the inhomogeneity of the plasma. The phenomenon that the properties of MHD waves change as the wave propagates through a non-uniform environment is most clearly at work in resonant absorption. For example, in case of resonant Alfv&#x000E9;n waves the MHD wave arrives at a position where it can behave as an almost pure Alfv&#x000E9;n wave. Similarly, in case of resonant cusp waves the MHD arrives at a position where it can behave as a slow wave for perpendicular propagation. Resonant absorption and resonant waves have been discussed previously (see e.g., Goossens et al., <xref ref-type="bibr" rid="B23">2011</xref>). We shall review aspects related to the displacement components &#x003BE;<sub><italic>r</italic></sub>, &#x003BE;<sub>&#x022A5;</sub>, &#x003BE;<sub>&#x02225;</sub>, and <italic>P</italic>&#x02032;. We shall focus on the behavior of compression <inline-formula><mml:math id="M166"><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> and vorticity <inline-formula><mml:math id="M167"><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> for resonant waves. The coupling functions <italic>C</italic><sub><italic>A</italic></sub> and <italic>C</italic><sub><italic>S</italic></sub> play an important role here also. Look back at the expression for the coefficient function <italic>D</italic> (34). The local Alfv&#x000E9;n frequency &#x003C9;<sub><italic>A</italic></sub>(<italic>r</italic>) and the local cusp frequency &#x003C9;<sub><italic>C</italic></sub>(<italic>r</italic>) vary with position <italic>r</italic> and they map out two intervals of frequencies</p>
<disp-formula id="E94"><mml:math id="M168"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">AC</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">min</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">max</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">SC</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">min</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">max</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>They are known as the Alfv&#x000E9;n continuum (AC) and the slow or cusp continuum (SC) (Appert et al., <xref ref-type="bibr" rid="B4">1974</xref>; Chen and Hasegawa, <xref ref-type="bibr" rid="B8">1974</xref>; Goedbloed, <xref ref-type="bibr" rid="B14">1983</xref>). For a frequency &#x003C9; either in the Alfv&#x000E9;n continuum or the slow continuum the coefficient function <italic>D</italic> &#x0003D; 0 at the position <italic>r</italic><sub><italic>A</italic></sub> where the frequency is equal to the local Alfv&#x000E9;n frequency &#x003C9; &#x0003D; &#x003C9;<sub><italic>A</italic></sub>(<italic>r</italic><sub><italic>A</italic></sub>) or at the position <italic>r</italic><sub><italic>C</italic></sub> where the frequency is equal to the local cusp frequency &#x003C9; &#x0003D; &#x003C9;<sub><italic>C</italic></sub>(<italic>r</italic><sub><italic>C</italic></sub>). The system of differential equations (33) have regular singular points at the positions <italic>r</italic> &#x0003D; <italic>r</italic><sub><italic>A</italic></sub> and <italic>r</italic> &#x0003D; <italic>r</italic><sub><italic>C</italic></sub>.</p>
<p>Let us first consider the Alfv&#x000E9;n continuum. For a frequency in the Alfv&#x000E9;n continuum the dispersion relation for Alfv&#x000E9;n waves is locally satisfied. Each magnetic surface oscillates at its own Alfv&#x000E9;n continuum frequency. Let us determine the structure of the MHD wave with a frequency in the Alfv&#x000E9;n continuum. The MHD waves live on [0, &#x0002B;&#x0221E;[ in the <italic>r</italic>- direction. Solutions over the full spatial interval can be found in Poedts et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B35">1989</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B36">1990</xref>), Sakurai et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B38">1991a</xref>), Goossens and Poedts (<xref ref-type="bibr" rid="B25">1992</xref>), Tirry and Goossens (<xref ref-type="bibr" rid="B48">1996</xref>), Ruderman and Roberts (<xref ref-type="bibr" rid="B37">2002</xref>), Van Doorsselaere et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B49">2004</xref>), and Soler et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B40">2013</xref>). Away from the resonant surface the MHD wave can be predominantly magneto-sonic. During its propagation through the non-uniform plasma the MHD wave might change in a wave that has both magneto-sonic and Alfv&#x000E9;n properties. Close to and at the resonant surface the MHD wave is almost completely an Alfv&#x000E9;n wave. Here we focus on the spatial behavior close to the singular point <italic>r</italic> &#x0003D; <italic>r</italic><sub><italic>A</italic></sub> where &#x003C9; &#x0003D; &#x003C9;<sub><italic>A</italic></sub>(<italic>r</italic><sub><italic>A</italic></sub>). We follow Sakurai et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B39">1991b</xref>), Goossens et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B24">1992</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B27">1995</xref>), and Tirry and Goossens (<xref ref-type="bibr" rid="B48">1996</xref>). They used Frobenius-Fuchs solutions around the singular point <italic>r</italic> &#x0003D; <italic>r</italic><sub><italic>A</italic></sub> where &#x003C9; &#x0003D; &#x003C9;<sub><italic>A</italic></sub>(<italic>r</italic><sub><italic>A</italic></sub>) and introduced a new radial variable <italic>s</italic> &#x0003D; <italic>r</italic> &#x02212; <italic>r</italic><sub><italic>A</italic></sub>. This analysis is valid in the interval [&#x02212;<italic>s</italic><sub><italic>A</italic></sub>, <italic>s</italic><sub><italic>A</italic></sub>] where the linear Taylor polynomial is an accurate approximation of <inline-formula><mml:math id="M169"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>:</p>
<disp-formula id="E95"><label>(65)</label><mml:math id="M170"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00394;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00394;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The outcome of the application of the Frobenius-Fuchs method is the fundamental conservation law for resonant Alfv&#x000E9;n waves</p>
<disp-formula id="E96"><label>(66)</label><mml:math id="M171"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">constant</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>and the solutions for &#x003BE;<sub><italic>r</italic></sub> and <italic>P</italic>&#x02032;</p>
<disp-formula id="E97"><label>(67)</label><mml:math id="M204"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:msubsup><mml:mi>B</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:msub><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mo>&#x02223;</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x02223;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo></mml:msub><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:msub><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:msubsup><mml:mi>B</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:msub><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mo>&#x02223;</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x02223;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo></mml:msub><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>0.</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>All equilibrium quantities are evaluated at <italic>s</italic> &#x0003D; 0 (<italic>r</italic> &#x0003D; <italic>r</italic><sub><italic>A</italic></sub>). The solutions for &#x003BE;<sub><italic>r</italic></sub> and <italic>P</italic>&#x02032; are characterized by a logarithmic singularity and a jump. The jump in a quantity <italic>Q</italic> is defined as</p>
<disp-formula id="E98"><mml:math id="M173"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">lim</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">lim</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Recall the equation for &#x003BE;<sub>&#x022A5;</sub></p>
<disp-formula id="E99"><mml:math id="M174"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Hence close to <italic>s</italic> &#x0003D; 0</p>
<disp-formula id="E100"><label>(68)</label><mml:math id="M175"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>s</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00394;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>This means that &#x003BE;<sub>&#x022A5;</sub> has a 1/<italic>s</italic>- singularity and a &#x003B4;(<italic>s</italic>)- contribution. These singularities dominate those present in &#x003BE;<sub><italic>r</italic></sub> and <italic>P</italic>&#x02032;. The equation for the parallel component &#x003BE;<sub>&#x02225;</sub> is</p>
<disp-formula id="E101"><mml:math id="M176"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The coefficient of &#x003BE;<sub>&#x02225;</sub> in the left hand side of this equation is finite and non-zero for frequencies in the Alfv&#x000E9;n continuum. The function <italic>C</italic><sub><italic>S</italic></sub> is a linear combination of &#x003BE;<sub><italic>r</italic></sub> and <italic>P</italic>&#x02032; and can contain a logarithmic term ln(&#x02223;<italic>s</italic>&#x02223;) and a jump. This implies that &#x003BE;<sub>&#x02225;</sub> contains at most a logarithmic term ln(&#x02223;<italic>s</italic>&#x02223;) and a jump and is dominated by &#x003BE;<sub>&#x022A5;</sub>. Hence close to <italic>s</italic> &#x0003D; 0 we are in a situation that closely resembles that described in Equation (10) when we make the transformation</p>
<disp-formula id="E102"><label>(69)</label><mml:math id="M177"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>and note that</p>
<disp-formula id="E103"><label>(70)</label><mml:math id="M178"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:mo>&#x0226A;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The motion (70) in the Alfv&#x000E9;n wave is predominantly in the &#x022A5;- direction and rapidly varying in the <italic>r</italic>- direction. The &#x02248; sign means that the three components (&#x003BE;<sub>&#x02225;</sub>, &#x003BE;<sub><italic>r</italic></sub>, &#x003BE;<sub>&#x022A5;</sub>) are non-zero but &#x003BE;<sub>&#x022A5;</sub> is far larger in absolute value than the two other components.</p>
<p>Consider now Equations (41) for the components of <inline-formula><mml:math id="M179"><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> and identify the first term in the right hand side of the equation for <inline-formula><mml:math id="M180"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> as the dominant term overall. Hence</p>
<disp-formula id="E104"><label>(71)</label><mml:math id="M181"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x00394;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p><inline-formula><mml:math id="M183"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> has a 1/<italic>s</italic><sup>2</sup>- singularity. The remaining components <inline-formula><mml:math id="M184"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M185"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> are non-zero and both have a 1/<italic>s</italic>- singularity when <italic>f</italic><sub><italic>B</italic></sub> &#x02260; 0 and <italic>Q</italic><sub>&#x022A5;</sub> &#x02260; 0. Hence use the transformation (69) to help us to identify the inequalities (12) but now as</p>
<disp-formula id="E105"><label>(72)</label><mml:math id="M300"><mml:mo>&#x02223;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>&#x02223;</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02223;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02223;</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x0226A;</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02223;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>&#x02223;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<p>so that</p>
<disp-formula id="E107"><label>(73)</label><mml:math id="M187"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x02248;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Here also the &#x02248; sign means that the three components <inline-formula><mml:math id="M188"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are non-zero but the parallel component is far larger in absolute value than the two horizontal components.</p>
<p>In summary</p>
<disp-formula id="E108"><label>(74)</label><mml:math id="M189"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">lim</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">lim</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">lim</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="qopname">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="qopname">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Hence the dominant dynamics is in the perpendicular motions. The jumps in &#x003BE;<sub><italic>r</italic></sub> and <italic>P</italic>&#x02032; (67) are due to dissipative effects. At and in the vicinity of the resonant position <italic>s</italic> &#x0003D; 0 the resonant MHD wave has very strong Alfv&#x000E9;n wave properties. Its properties match the properties derived on the basis of very simple principles for Alfv&#x000E9;n waves that mimic a resonant situation in section 2. The resonant Alfv&#x000E9;n wave is linked to the outside world by the coupling function <italic>C</italic><sub><italic>A</italic></sub>.</p>
<p>A comment on the case of axi-symmetric motions with <italic>m</italic> &#x0003D; 0. The expressions for <italic>f</italic><sub><italic>B</italic></sub>, <italic>g</italic><sub><italic>B</italic></sub>, <italic>C</italic><sub><italic>A</italic></sub>, <italic>C</italic><sub><italic>S</italic></sub> for axi-symmetric motions are given in (43). In particular it was pointed out that for a twisted magnetic field with both a longitudinal component <italic>B</italic><sub><italic>z</italic>,0</sub> and a non-zero azimuthal component <italic>B</italic><sub>&#x003C6;,0</sub> the coupling functions <italic>C</italic><sub><italic>A</italic></sub> and <italic>C</italic><sub><italic>S</italic></sub> are non-zero. Hence the preceding analysis on resonant properties also applies to axi-symmetric motions. Resonant absorption of axi-symmetric motions in the Alfv&#x000E9;n continuum was investigated by Giagkiozis et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B12">2016</xref>) for an a non-straight magnetic field and in the slow continuum by Yu et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B51">2017a</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="B52">b</xref>) for a straight magnetic field. In addition, the preceding analysis for the behavior of the various variables can be repeated for a pressureless plasma. The additional simplification is that &#x003BE;<sub>&#x02225;</sub> &#x0003D; 0. The behavior of the resonant waves at and in the vicinity of the resonant position is to a large extent insensitive to plasma pressure.</p>
<p>The mathematical results in (68) for &#x003BE;<sub>&#x022A5;</sub> and (71) for <inline-formula><mml:math id="M191"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> mean that there are strong counterstreaming flows in the perpendicular direction at and close to <italic>s</italic> &#x0003D; 0. Of course in reality infinite values for &#x003BE;<sub>&#x022A5;</sub> do not occur. We shall see that these infinite values are replaced by finite and very large values. This is the basis for the Kelvin-Helmholtz instability in Alfv&#x000E9;n waves first investigated by Terradas et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B42">2008</xref>) and subsequently studied by several groups (see e.g., Antolin et al., <xref ref-type="bibr" rid="B3">2014</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B1">2015</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B2">2018</xref>).</p>
<p>Let us now turn to the slow continuum. The analysis for a frequency in the slow continuum parallels that for Alfv&#x000E9;n waves (see e.g., Sakurai et al., <xref ref-type="bibr" rid="B39">1991b</xref>; Goossens and Ruderman, <xref ref-type="bibr" rid="B26">1995</xref>). The MHD waves live on [0, &#x0221E;[ . Here we focus on the spatial behavior close to the singular point <italic>r</italic> &#x0003D; <italic>r</italic><sub><italic>C</italic></sub> where &#x003C9; &#x0003D; &#x003C9;<sub><italic>C</italic></sub>(<italic>r</italic><sub><italic>C</italic></sub>). The variable <italic>s</italic> is now defined as <italic>s</italic> &#x0003D; <italic>r</italic> &#x02212; <italic>r</italic><sub><italic>C</italic></sub> with <italic>r</italic><sub><italic>C</italic></sub> the position where <inline-formula><mml:math id="M192"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This analysis is valid in the interval [&#x02212;<italic>s</italic><sub><italic>C</italic></sub>, <italic>s</italic><sub><italic>C</italic></sub>] where the linear Taylor polynomial is an accurate approximation of <inline-formula><mml:math id="M193"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>:</p>
<disp-formula id="E110"><label>(75)</label><mml:math id="M194"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00394;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00394;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The outcome is the fundamental conservation law for resonant slow waves</p>
<disp-formula id="E111"><label>(76)</label><mml:math id="M195"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">constant</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>and the solutions for &#x003BE;<sub><italic>r</italic></sub> and <italic>P</italic>&#x02032;</p>
<disp-formula id="E112"><label>(77)</label><mml:math id="M307"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>B</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msub><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mo>&#x02223;</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x02223;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo></mml:msub><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msubsup><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:msubsup><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:msub><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:msubsup><mml:mi>B</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msub><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mo>&#x02223;</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x02223;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo></mml:msub><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>0.</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Recall the equation for &#x003BE;<sub>&#x02225;</sub></p>
<disp-formula id="E113"><mml:math id="M197"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<p>Hence close to <italic>s</italic> &#x0003D; 0</p>
<disp-formula id="E114"><label>(78)</label><mml:math id="M198"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>s</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00394;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>This means that &#x003BE;<sub>&#x02225;</sub> has a 1/<italic>s</italic>- singularity and a &#x003B4;(<italic>s</italic>)- contribution. These singularities dominate those present in &#x003BE;<sub><italic>r</italic></sub> and <italic>P</italic>&#x02032;.</p>
<p>The equation for the perpendicular component &#x003BE;<sub>&#x022A5;</sub> is</p>
<disp-formula id="E115"><mml:math id="M199"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<p>The coefficient of &#x003BE;<sub>&#x022A5;</sub> in the left hand side of this equation is finite and non-zero for frequencies in the cusp continuum. The function <italic>C</italic><sub><italic>A</italic></sub> is a linear combination of &#x003BE;<sub><italic>r</italic></sub> and <italic>P</italic>&#x02032; and can contain a logarithmic term ln(&#x02223;<italic>s</italic>&#x02223;) and a jump. This implies that &#x003BE;<sub>&#x022A5;</sub> contains at most a logarithmic term ln(&#x02223;<italic>s</italic>&#x02223;) and a jump and is dominated by &#x003BE;<sub>&#x02225;</sub>. Hence close to <italic>s</italic> &#x0003D; 0 we are in a situation</p>
<disp-formula id="E116"><label>(79)</label><mml:math id="M200"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:mo>&#x0226A;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The motion (79) in the slow wave is predominantly in the &#x02225;- direction and rapidly varying in the <italic>r</italic>- direction. The &#x02248; sign means that the three components (&#x003BE;<sub>&#x02225;</sub>, &#x003BE;<sub><italic>r</italic></sub>, &#x003BE;<sub>&#x022A5;</sub>) are non-zero but &#x003BE;<sub>&#x02225;</sub> is far larger in absolute value than the two other components.</p>
<p>Recall from (39) the equation for <inline-formula><mml:math id="M201"><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> as</p>
<disp-formula id="E117"><mml:math id="M202"><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula>
<p>and find that in the vicinity of <italic>s</italic> &#x0003D; 0 <inline-formula><mml:math id="M203"><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> behaves as</p>
<disp-formula id="E118"><label>(80)</label><mml:math id="M254"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00394;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p><inline-formula><mml:math id="M205"><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> has a 1/<italic>s</italic>- singularity and a &#x003B4;(<italic>s</italic>)- contribution in the same way as &#x003BE;<sub>&#x02225;</sub>. Consider now Equations (41) for the components of <inline-formula><mml:math id="M206"><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> and identify the first term in the right hand side of the equation for <inline-formula><mml:math id="M207"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> as the dominant term overall. Hence</p>
<disp-formula id="E119"><label>(81)</label><mml:math id="M208"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00394;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p><inline-formula><mml:math id="M210"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> has a 1/<italic>s</italic><sup>2</sup>-singularity. The remaining components <inline-formula><mml:math id="M211"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M212"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> are non-zero and both have a 1/<italic>s</italic>- singularity when <italic>g</italic><sub><italic>B</italic></sub> &#x02260; 0 and <italic>P</italic><sub>&#x02225;</sub> &#x02260; 0.</p>
<disp-formula id="E163"><label>(82)</label><mml:math id="M220"><mml:mo>&#x02223;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>&#x02223;</mml:mo><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>&#x02223;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02223;</mml:mo><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>&#x0226A;</mml:mo><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>&#x02223;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>&#x02223;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<p>so that</p>
<disp-formula id="E122"><label>(83)</label><mml:math id="M214"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x02248;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Here also the &#x02248; sign means that the three components <inline-formula><mml:math id="M215"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are non-zero but the perpendicular component is far larger in absolute value than the radial and parallel components.</p>
<p>In summary</p>
<disp-formula id="E123"><label>(84)</label><mml:math id="M216"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">lim</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">lim</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">lim</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="qopname">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="qopname">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">&#x02223;</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The dominant dynamics is in the component in the magnetic surfaces and parallel to the magnetic field lines. In the vicinity of the resonant magnetic surface the wave is almost exactly a slow wave in a homogeneous plasma with its wave vector almost perpendicular to the magnetic field.</p>
<p>The mathematical results in (78) for &#x003BE;<sub>&#x02225;</sub> and (81) for <inline-formula><mml:math id="M218"><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> mean that there are strong counterstreaming flows in the parallel direction at and close to <italic>s</italic> &#x0003D; 0. Of course in reality infinite values for &#x003BE;<sub>&#x022A5;</sub> do not occur. We shall see that these infinite values are replaced by finite and very large values. Our prediction is that this is the basis for the Kelvin-Helmholtz instability in slow resonant waves. This possible Kelvin-Helmholtz instability has not yet been studied.</p>
</sec>
<sec sec-type="conclusions" id="s5">
<title>5. Conclusions</title>
<p>Pure Alfv&#x000E9;n waves and pure magneto-acoustic waves exist in a uniform plasma of infinite extent. In a non-uniform plasma the MHD waves combine the properties of the classic Alfv&#x000E9;n waves and of magneto-sonic waves in a uniform plasma of infinite extent. The mixing of the properties is controlled by the coupling functions <italic>C</italic><sub><italic>A</italic></sub> and <italic>C</italic><sub><italic>S</italic></sub>. The general rule is that MHD waves in a non-uniform plasma propagate both compression and parallel vorticity and that the parallel, perpendicular, and radial components of displacement and vorticity are non-zero. Vortex motions driven by MHD waves are as far as we can anticipate not different from vortex motions generated by other sources. Our analysis shows that MHD waves in non-uniform plasmas are very efficient <italic>in situ</italic> generators of vorticity. In a non-uniform plasma MHD waves can fill the whole space with vorticity. Vortex motions are expected to be very prominent where resonant conditions are satisfied. The signatures of vortex motions in the process of resonant Alfv&#x000E9;n damping are very strong sheared azimuthal motions. Observational aspects of these strong sheared azimuthal motions and possible turbulent behavior have been investigated by Okamoto et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B32">2015</xref>) and compared to results of numerical simulations by Antolin et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B1">2015</xref>). Of course in a pressureless plasma the parallel component of the displacement is zero. The exception to the general rule of mixed properties are axi-symmetric waves in the presence of a straight magnetic field. The coupling functions depend on position. Hence as an MHD waves propagates through a non-uniform plasma its properties change. Resonant absorption is a clear example of this phenomenon. In case of resonant Alfv&#x000E9;n waves the MHD wave arrives at a position where it behaves as an almost pure Alfv&#x000E9;n wave. Similarly, in case of resonant cusp waves the MHD arrives at a position where it behaves as a slow wave for perpendicular propagation. Resonant absorption for MHD waves with frequencies in the Alfv&#x000E9;n / slow continuum is controlled by the coupling functions <italic>C</italic><sub><italic>A</italic></sub> and <italic>C</italic><sub><italic>S</italic></sub>. Analysis of the motions associated with the resonant Alfv&#x000E9;n /slow waves shows that the resonant waves are characterized by strong shear in the perpendicular/parallel component of displacement with large values of the parallel/perpendicular component of vorticity. This strong shear causes violent KH-instabilities that accelerate the damping of the MHD waves and facilitate heating of plasma.</p>
</sec>
<sec id="s6">
<title>Author Contributions</title>
<p>All authors listed have made a substantial, direct and intellectual contribution to the work, and approved it for publication. The three authors contributed in equal parts to this paper.</p>
<sec>
<title>Conflict of Interest Statement</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
</sec>
</body>
<back>
<ack><p>It is a great pleasure for MG to acknowledge the wise advice by J. P. (Hans) Goedbloed to use projections on the directions <inline-formula><mml:math id="M219"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02225;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and not to try to define a coordinate system based on these directions.</p>
</ack>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Antolin</surname> <given-names>P.</given-names></name> <name><surname>Okamoto</surname> <given-names>T. J.</given-names></name> <name><surname>De Pontieu</surname> <given-names>B.</given-names></name> <name><surname>Uitenbroek</surname> <given-names>H.</given-names></name> <name><surname>Van Doorsselaere</surname> <given-names>T.</given-names></name> <name><surname>Yokoyama</surname> <given-names>T.</given-names></name></person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Resonant absorption of transverse oscillations and associated heating in a solar prominence. II. Numerical aspects</article-title>. <source>Astrophys. J.</source> <volume>809</volume>:<fpage>72</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0004-637X/809/1/72</pub-id></citation></ref>
<ref id="B2">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Antolin</surname> <given-names>P.</given-names></name> <name><surname>Schmit</surname> <given-names>D.</given-names></name> <name><surname>Pereira</surname> <given-names>T. M. D.</given-names></name> <name><surname>De Pontieu</surname> <given-names>B.</given-names></name> <name><surname>De Moortel</surname> <given-names>I.</given-names></name></person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Transverse wave induced Kelvin-Helmholtz rolls in spicules</article-title>. <source>Astrophys. J.</source> <volume>856</volume>:<fpage>44</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3847/1538-4357/aab34f</pub-id></citation></ref>
<ref id="B3">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Antolin</surname> <given-names>P.</given-names></name> <name><surname>Yokoyama</surname> <given-names>T.</given-names></name> <name><surname>Van Doorsselaere</surname> <given-names>T.</given-names></name></person-group> (<year>2014</year>). <article-title>Fine strand-like structure in the solar corona from magnetohydrodynamic transverse oscillations</article-title>. <source>Astrophys. J. Lett.</source> <volume>787</volume>:<fpage>L22</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/2041-8205/787/2/L22</pub-id></citation></ref>
<ref id="B4">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Appert</surname> <given-names>K.</given-names></name> <name><surname>Gruber</surname> <given-names>R.</given-names></name> <name><surname>Vaclavic</surname> <given-names>J.</given-names></name></person-group> (<year>1974</year>). <article-title>Continuous spectra of a cylindrical magnetohydrodynamic equilibrium</article-title>. <source>Phys. Fluids</source> <volume>17</volume>:<fpage>1471</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.1694918</pub-id></citation></ref>
<ref id="B5">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Arregui</surname> <given-names>I.</given-names></name></person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Wave heating of the solar atmosphere</article-title>. <source>R. Soc. Lond. Philos. Trans. Ser. A</source> <volume>373</volume>:<fpage>20140261</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1098/rsta.2014.0261</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">25897091</pub-id></citation></ref>
<ref id="B6">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Arregui</surname> <given-names>I.</given-names></name> <name><surname>Andries</surname> <given-names>J.</given-names></name> <name><surname>Van Doorsselaere</surname> <given-names>T.</given-names></name> <name><surname>Goossens</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Poedts</surname> <given-names>S.</given-names></name></person-group> (<year>2007</year>). <article-title>MHD coronal seismology using the period and damping of resonantly damped quasi-mode kink oscillations</article-title>. <source>Astron. Astrophys.</source> <volume>463</volume>, <fpage>333</fpage>&#x02013;<lpage>338</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1051/0004-6361:20065863</pub-id></citation></ref>
<ref id="B7">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Arregui</surname> <given-names>I.</given-names></name> <name><surname>Terradas</surname> <given-names>J.</given-names></name> <name><surname>Oliver</surname> <given-names>R.</given-names></name> <name><surname>Ballester</surname> <given-names>J.</given-names></name></person-group> (<year>2008</year>). <article-title>Damping of fast magnetohydrodynamic oscillations in quiescent filament threads</article-title>. <source>Astrophys. J.</source> <volume>682</volume>, <fpage>L141</fpage>&#x02013;<lpage>L144</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1086/591081</pub-id></citation></ref>
<ref id="B8">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Chen</surname> <given-names>L.</given-names></name> <name><surname>Hasegawa</surname> <given-names>A.</given-names></name></person-group> (<year>1974</year>). <article-title>Plasma heating by spatial resonance of Alfven wave</article-title>. <source>Phys. Fluids</source> <volume>17</volume>, <fpage>1399</fpage>&#x02013;<lpage>1403</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.1694904</pub-id></citation></ref>
<ref id="B9">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>De Groof</surname> <given-names>A.</given-names></name> <name><surname>Goossens</surname> <given-names>M.</given-names></name></person-group> (<year>2000</year>). <article-title>Randomly driven fast waves in coronal loops. II. With coupling to Alfv&#x000E9;n waves</article-title>. <source>Astron. Astrophys.</source> <volume>356</volume>, <fpage>724</fpage>&#x02013;<lpage>734</lpage>.</citation></ref>
<ref id="B10">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>De Groof</surname> <given-names>A.</given-names></name> <name><surname>Goossens</surname> <given-names>M.</given-names></name></person-group> (<year>2002</year>). <article-title>Fast and Alfv&#x000E9;n waves driven by azimuthal footpoint motions. II. Random driver</article-title>. <source>Astron. Astrophys.</source> <volume>386</volume>:<fpage>691</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1051/0004-6361:20020204</pub-id></citation></ref>
<ref id="B11">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>De Groof</surname> <given-names>A.</given-names></name> <name><surname>Paes</surname> <given-names>K.</given-names></name> <name><surname>Goossens</surname> <given-names>M.</given-names></name></person-group> (<year>2002</year>). <article-title>Fast and Alfv&#x000E9;n waves driven by azimuthal footpoint motions. I. Periodic driver</article-title>. <source>Astron. Astrophys.</source> <volume>386</volume>:<fpage>681</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1051/0004-6361:20020203</pub-id></citation></ref>
<ref id="B12">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Giagkiozis</surname> <given-names>I.</given-names></name> <name><surname>Goossens</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Verth</surname> <given-names>G.</given-names></name> <name><surname>Fedun</surname> <given-names>V.</given-names></name> <name><surname>Van Doorsselaere</surname> <given-names>T.</given-names></name></person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Resonant absorption of axisymmetric modes in twisted magnetic flux tubes</article-title>. <source>Astrophys. J.</source> <volume>823</volume>:<fpage>71</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3847/0004-637X/823/2/71</pub-id></citation></ref>
<ref id="B13">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Goedbloed</surname> <given-names>J. P.</given-names></name></person-group> (<year>1975</year>). <article-title>Spectrum of ideal magnetohydrodynamics of axisymmetric toroidal systems</article-title>. <source>Phys. Fluids</source> <volume>18</volume>, <fpage>1258</fpage>&#x02013;<lpage>1268</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.861012</pub-id></citation></ref>
<ref id="B14">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Goedbloed</surname> <given-names>J. P.</given-names></name></person-group> (<year>1983</year>). <source>Lecture Notes on Ideal Magnetohydrodynamics</source>. <publisher-loc>Rijnhuizen</publisher-loc>: <publisher-name>FOM-Institut voor Plasmafysica</publisher-name>, <fpage>83</fpage>&#x02013;<lpage>145</lpage>.</citation></ref>
<ref id="B15">
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Goedbloed</surname> <given-names>J. P.</given-names></name> <name><surname>Keppens</surname> <given-names>R.</given-names></name> <name><surname>Poedts</surname> <given-names>S.</given-names></name></person-group> (<year>2010</year>). <source>Advanced Magnetohydrodynamics</source>. <publisher-loc>Cambridge, UK</publisher-loc>: <publisher-name>Cambridge University Press</publisher-name>.</citation></ref>
<ref id="B16">
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Goedbloed</surname> <given-names>J. P. H.</given-names></name> <name><surname>Poedts</surname> <given-names>S.</given-names></name></person-group> (<year>2004</year>). <source>Principles of Magnetohydrodynamics</source>. <publisher-loc>Cambridge, UK</publisher-loc>: <publisher-name>Cambridge University Press</publisher-name>.</citation></ref>
<ref id="B17">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Goossens</surname> <given-names>M.</given-names></name></person-group> (<year>2003</year>). <source>An Introduction to Plasma Astrophysics and Magnetohydrodynamics</source>. Vol. 294 of Astrophysics and Space Science Library. <publisher-loc>Dordrecht</publisher-loc>: <publisher-name>Kluwer Academic Publishers</publisher-name>.</citation></ref>
<ref id="B18">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Goossens</surname> <given-names>M.</given-names></name></person-group> (<year>2008</year>). <article-title>&#x0201C;Seismology of kink oscillations in coronal loops: two decades of resonant damping,&#x0201D;</article-title> in <source>IAU Symposium, Vol. 247</source>, eds R. Erd&#x000E9;lyi and C. A. Mendoza-Brice&#x000F1;o (<publisher-loc>Cambridge, UK</publisher-loc>), <fpage>228</fpage>&#x02013;<lpage>242</lpage>.</citation></ref>
<ref id="B19">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Goossens</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Andries</surname> <given-names>J.</given-names></name> <name><surname>Aschwanden</surname> <given-names>M. J.</given-names></name></person-group> (<year>2002a</year>). <article-title>Coronal loop oscillations. An interpretation in terms of resonant absorption of quasi-mode kink oscillations</article-title>. <source>Astron. Astrophys.</source> <volume>394</volume>:<fpage>L39</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1051/0004-6361:20021378</pub-id></citation></ref>
<ref id="B20">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Goossens</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Andries</surname> <given-names>J.</given-names></name> <name><surname>Soler</surname> <given-names>R.</given-names></name> <name><surname>Van Doorsselaere</surname> <given-names>T.</given-names></name> <name><surname>Arregui</surname> <given-names>I.</given-names></name> <name><surname>Terradas</surname> <given-names>J.</given-names></name></person-group> (<year>2012</year>). <article-title>Surface alfv&#x000E9;n waves in solar flux tubes</article-title>. <source>Astrophys. J.</source> <volume>753</volume>:<fpage>111</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0004-637X/753/2/111</pub-id></citation></ref>
<ref id="B21">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Goossens</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Arregui</surname> <given-names>I.</given-names></name> <name><surname>Ballester</surname> <given-names>J. L.</given-names></name> <name><surname>Wang</surname> <given-names>T. J.</given-names></name></person-group> (<year>2008</year>). <article-title>Analytic approximate seismology of transversely oscillating coronal loops</article-title>. <source>Astron. Astrophys.</source> <volume>484</volume>, <fpage>851</fpage>&#x02013;<lpage>857</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1051/0004-6361:200809728</pub-id></citation></ref>
<ref id="B22">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Goossens</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>de Groof</surname> <given-names>A.</given-names></name> <name><surname>Andries</surname> <given-names>J.</given-names></name></person-group> (<year>2002b</year>). <article-title>&#x0201C;Waves and oscillations in magnetic fields,&#x0201D;</article-title> in <source>SOLMAG 2002, Proceedings of the Magnetic Coupling of the Solar Atmosphere Euroconference, Vol. 505 of ESA Special Publication</source>, ed H. Sawaya-Lacoste (<publisher-loc>Noordwijk</publisher-loc>), <fpage>137</fpage>&#x02013;<lpage>144</lpage>.</citation></ref>
<ref id="B23">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Goossens</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Erd&#x000E9;lyi</surname> <given-names>R.</given-names></name> <name><surname>Ruderman</surname> <given-names>M. S.</given-names></name></person-group> (<year>2011</year>). <article-title>Resonant MHD Waves in the Solar Atmosphere</article-title>. <source>Space Sci. Rev.</source> <volume>158</volume>, <fpage>289</fpage>&#x02013;<lpage>338</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s11214-010-9702-7</pub-id></citation></ref>
<ref id="B24">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Goossens</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Hollweg</surname> <given-names>J. V.</given-names></name> <name><surname>Sakurai</surname> <given-names>T.</given-names></name></person-group> (<year>1992</year>). <article-title>Resonant behaviour of MHD waves on magnetic flux tubes. III - Effect of equilibrium flow</article-title>. <source>Solar Phys.</source> <volume>138</volume>, <fpage>233</fpage>&#x02013;<lpage>255</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/BF00151914</pub-id></citation></ref>
<ref id="B25">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Goossens</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Poedts</surname> <given-names>S.</given-names></name></person-group> (<year>1992</year>). <article-title>Linear resistive magnetohydrodynamic computations of resonant absorption of acoustic oscillations in sunspots</article-title>. <source>Astrophys. J.</source> <volume>384</volume>, <fpage>348</fpage>&#x02013;<lpage>360</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1086/170878</pub-id></citation></ref>
<ref id="B26">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Goossens</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Ruderman</surname> <given-names>M. S.</given-names></name></person-group> (<year>1995</year>). <article-title>Conservation laws and connection formulae for resonant MHD waves</article-title>. <source>Phys. Scripta Vol. T</source> <volume>60</volume>, <fpage>171</fpage>&#x02013;<lpage>184</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0031-8949/1995/T60/021</pub-id></citation></ref>
<ref id="B27">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Goossens</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Ruderman</surname> <given-names>M. S.</given-names></name> <name><surname>Hollweg</surname> <given-names>J. V.</given-names></name></person-group> (<year>1995</year>). <article-title>Dissipative MHD solutions for resonant Alfven waves in 1-dimensional magnetic flux tubes</article-title>. <source>Solar Phys.</source> <volume>157</volume>:<fpage>75</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/BF00680610</pub-id></citation></ref>
<ref id="B28">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Goossens</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Soler</surname> <given-names>R.</given-names></name> <name><surname>Terradas</surname> <given-names>J.</given-names></name> <name><surname>Van Doorsselaere</surname> <given-names>T.</given-names></name> <name><surname>Verth</surname> <given-names>G.</given-names></name></person-group> (<year>2014</year>). <article-title>The transverse and rotational motions of magnetohydrodynamic kink waves in the solar atmosphere</article-title>. <source>Astrophys. J.</source> <volume>788</volume>:<fpage>9</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0004-637X/788/1/9</pub-id></citation></ref>
<ref id="B29">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Goossens</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Terradas</surname> <given-names>J.</given-names></name> <name><surname>Andries</surname> <given-names>J.</given-names></name> <name><surname>Arregui</surname> <given-names>I.</given-names></name> <name><surname>Ballester</surname> <given-names>J. L.</given-names></name></person-group> (<year>2009</year>). <article-title>On the nature of kink MHD waves in magnetic flux tubes</article-title>. <source>Astron. Astrophys.</source> <volume>503</volume>, <fpage>213</fpage>&#x02013;<lpage>223</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1051/0004-6361/200912399</pub-id></citation></ref>
<ref id="B30">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Hasegawa</surname> <given-names>A.</given-names></name> <name><surname>Uberoi</surname> <given-names>C.</given-names></name></person-group> (<year>1982</year>). <source>The Alfv&#x000E9;n Wave</source>. Advances in Fusion Science and Engineering DOE Critical Review Series. Office of Energy Research; US Department of Energy.</citation></ref>
<ref id="B31">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="editor"><name><surname>Mestel</surname> <given-names>L.</given-names></name> <name><surname>Weiss</surname> <given-names>N. O.</given-names></name></person-group> (eds.). (<year>1974</year>). <source>Magnetohydrodynamics</source>. Swiss Society Astronomy and Astrophysics Fourth Advanced Course, Geneva Observatory.</citation>
</ref>
<ref id="B32">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Okamoto</surname> <given-names>T. J.</given-names></name> <name><surname>Antolin</surname> <given-names>P.</given-names></name> <name><surname>De Pontieu</surname> <given-names>B.</given-names></name> <name><surname>Uitenbroek</surname> <given-names>H.</given-names></name> <name><surname>Van Doorsselaere</surname> <given-names>T.</given-names></name> <name><surname>Yokoyama</surname> <given-names>T.</given-names></name></person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Resonant absorption of transverse oscillations and associated heating in a solar prominence. I. Observational aspects</article-title>. <source>Astrophys. J.</source> <volume>809</volume>:<fpage>71</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0004-637X/809/1/71</pub-id></citation></ref>
<ref id="B33">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Pascoe</surname> <given-names>D. J.</given-names></name> <name><surname>Wright</surname> <given-names>A. N.</given-names></name> <name><surname>De Moortel</surname> <given-names>I.</given-names></name></person-group> (<year>2010</year>). <article-title>Coupled Alfv&#x000E9;n and kink oscillations in coronal loops</article-title>. <source>Astrophys. J.</source> <volume>711</volume>, <fpage>990</fpage>&#x02013;<lpage>996</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0004-637X/711/2/990</pub-id></citation></ref>
<ref id="B34">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Pascoe</surname> <given-names>D. J.</given-names></name> <name><surname>Wright</surname> <given-names>A. N.</given-names></name> <name><surname>De Moortel</surname> <given-names>I.</given-names></name></person-group> (<year>2011</year>). <article-title>Propagating coupled Alfv&#x000E9;n and kink oscillations in an arbitrary inhomogeneous corona</article-title>. <source>Astrophys. J.</source> <volume>731</volume>:<fpage>73</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0004-637X/731/1/73</pub-id></citation></ref>
<ref id="B35">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Poedts</surname> <given-names>S.</given-names></name> <name><surname>Goossens</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Kerner</surname> <given-names>W.</given-names></name></person-group> (<year>1989</year>). <article-title>Numerical simulation of coronal heating by resonant absorption of Alfven waves</article-title>. <source>Solar Phys.</source> <volume>123</volume>, <fpage>83</fpage>&#x02013;<lpage>115</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/BF00150014</pub-id></citation></ref>
<ref id="B36">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Poedts</surname> <given-names>S.</given-names></name> <name><surname>Goossens</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Kerner</surname> <given-names>W.</given-names></name></person-group> (<year>1990</year>). <article-title>On the efficiency of coronal loop heating by resonant absorption</article-title>. <source>Astrophys. J.</source> <volume>360</volume>, <fpage>279</fpage>&#x02013;<lpage>287</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1086/169118</pub-id></citation></ref>
<ref id="B37">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ruderman</surname> <given-names>M. S.</given-names></name> <name><surname>Roberts</surname> <given-names>B.</given-names></name></person-group> (<year>2002</year>). <article-title>The damping of coronal loop oscillations</article-title>. <source>Astrophys. J.</source> <volume>577</volume>, <fpage>475</fpage>&#x02013;<lpage>486</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1086/342130</pub-id></citation></ref>
<ref id="B38">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Sakurai</surname> <given-names>T.</given-names></name> <name><surname>Goossens</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Hollweg</surname> <given-names>J. V.</given-names></name></person-group> (<year>1991a</year>). <article-title>Resonant behaviour of magnetohydrodynamic waves on magnetic flux tubes II. Absorption of sound waves by sunspots</article-title>. <source>Solar Phys.</source> <volume>133</volume>, <fpage>247</fpage>&#x02013;<lpage>262</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/BF00149889</pub-id></citation></ref>
<ref id="B39">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Sakurai</surname> <given-names>T.</given-names></name> <name><surname>Goossens</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Hollweg</surname> <given-names>J. V.</given-names></name></person-group> (<year>1991b</year>). <article-title>Resonant behaviour of MHD waves on magnetic flux tubes. I - Connection formulae at the resonant surfaces</article-title>. <source>Solar Phys.</source> <volume>133</volume>, <fpage>227</fpage>&#x02013;<lpage>245</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/BF00149888</pub-id></citation></ref>
<ref id="B40">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Soler</surname> <given-names>R.</given-names></name> <name><surname>Goossens</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Terradas</surname> <given-names>J.</given-names></name> <name><surname>Oliver</surname> <given-names>R.</given-names></name></person-group> (<year>2013</year>). <article-title>The behavior of transverse waves in nonuniform solar flux tubes. I. Comparison of ideal and resistive results</article-title>. <source>Astrophys. J.</source> <volume>777</volume>:<fpage>158</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0004-637X/777/2/158</pub-id></citation></ref>
<ref id="B41">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Spruit</surname> <given-names>H. C.</given-names></name></person-group> (<year>1982</year>). <article-title>Propagation speeds and acoustic damping of waves in magnetic flux tubes</article-title>. <source>Solar Phys.</source> <volume>75</volume>, <fpage>3</fpage>&#x02013;<lpage>17</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/BF00153456</pub-id></citation></ref>
<ref id="B42">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Terradas</surname> <given-names>J.</given-names></name> <name><surname>Andries</surname> <given-names>J.</given-names></name> <name><surname>Goossens</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Arregui</surname> <given-names>I.</given-names></name> <name><surname>Oliver</surname> <given-names>R.</given-names></name> <name><surname>Ballester</surname> <given-names>J. L.</given-names></name></person-group> (<year>2008</year>). <article-title>Nonlinear instability of kink oscillations due to shear motions</article-title>. <source>Astrophys. J. Lett.</source> <volume>687</volume>, <fpage>L115</fpage>&#x02013;<lpage>L118</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1086/593203</pub-id></citation></ref>
<ref id="B43">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Terradas</surname> <given-names>J.</given-names></name> <name><surname>Arregui</surname> <given-names>I.</given-names></name></person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Temporal and spatial scales for coronal heating by Alfv&#x000E9;n wave dissipation in transverse loop oscillations</article-title>. <source>Res. Notes Am. Astron. Soc.</source> <volume>2</volume>:<fpage>196</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3847/2515-5172/aaeb26</pub-id></citation></ref>
<ref id="B44">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Terradas</surname> <given-names>J.</given-names></name> <name><surname>Oliver</surname> <given-names>R.</given-names></name> <name><surname>Ballester</surname> <given-names>J. L.</given-names></name></person-group> (<year>2006</year>). <article-title>Damped coronal loop oscillations: time-dependent results</article-title>. <source>Astrophys. J.</source> <volume>642</volume>, <fpage>533</fpage>&#x02013;<lpage>540</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1086/500730</pub-id></citation></ref>
<ref id="B45">
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Thompson</surname> <given-names>W. B.</given-names></name></person-group> (<year>1964</year>). <article-title>&#x0201C;Chapter V: Magnetohydrodynamics II,&#x0201D;</article-title> in <source>An Introduction to Plasma Physics, 2nd Edn.</source> (<publisher-loc>Oxford: Pergamon Press Ltd.</publisher-loc>), <fpage>65</fpage>&#x02013;<lpage>96</lpage>.</citation></ref>
<ref id="B46">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Tirry</surname> <given-names>W. J.</given-names></name> <name><surname>Berghmans</surname> <given-names>D.</given-names></name></person-group> (<year>1997</year>). <article-title>Wave heating of coronal loops driven by azimuthally polarised footpoint motions. II. The time-dependent behaviour in ideal MHD</article-title>. <source>Astron. Astrophys.</source> <volume>325</volume>:<fpage>329</fpage>.</citation></ref>
<ref id="B47">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Tirry</surname> <given-names>W. J.</given-names></name> <name><surname>Berghmans</surname> <given-names>D.</given-names></name> <name><surname>Goossens</surname> <given-names>M.</given-names></name></person-group> (<year>1997</year>). <article-title>Temporal evolution of resonant absorption in coronal loops. Excitation by footpoint motions normal to the magnetic surfaces</article-title>. <source>Astron. Astrophys.</source> <volume>322</volume>, <fpage>329</fpage>&#x02013;<lpage>339</lpage>.</citation></ref>
<ref id="B48">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Tirry</surname> <given-names>W. J.</given-names></name> <name><surname>Goossens</surname> <given-names>M.</given-names></name></person-group> (<year>1996</year>). <article-title>Quasi-modes as dissipative magnetohydrodynamic eigenmodes: results for one-dimensional equilibrium states</article-title>. <source>Astrophys. J.</source> <volume>471</volume>:<fpage>501</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1086/177986</pub-id></citation></ref>
<ref id="B49">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Van Doorsselaere</surname> <given-names>T.</given-names></name> <name><surname>Andries</surname> <given-names>J.</given-names></name> <name><surname>Poedts</surname> <given-names>S.</given-names></name> <name><surname>Goossens</surname> <given-names>M.</given-names></name></person-group> (<year>2004</year>). <article-title>Damping of coronal loop oscillations: calculation of resonantly damped kink oscillations of one-dimensional nonuniform loops</article-title>. <source>Astrophys. J.</source> <volume>606</volume>, <fpage>1223</fpage>&#x02013;<lpage>1232</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1086/383191</pub-id></citation></ref>
<ref id="B50">
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="editor"><name><surname>Walker</surname> <given-names>A.</given-names></name></person-group> (ed.). (<year>2004</year>). <source>Magnetohydrodynamic Waves in Geospace</source>. Magnetohydrodynamic Waves in Geospace. Series: Series in Plasma Physics. <publisher-loc>Bristol, PA</publisher-loc>: <publisher-name>Taylor and Francis</publisher-name>.</citation>
</ref>
<ref id="B51">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Yu</surname> <given-names>D. J.</given-names></name> <name><surname>Van Doorsselaere</surname> <given-names>T.</given-names></name> <name><surname>Goossens</surname> <given-names>M.</given-names></name></person-group> (<year>2017a</year>). <article-title>Resonant absorption of surface sausage and surface kink modes under photospheric conditions</article-title>. <source>Astrophys. J.</source> <volume>850</volume>:<fpage>44</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3847/1538-4357/aa9223</pub-id></citation></ref>
<ref id="B52">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Yu</surname> <given-names>D. J.</given-names></name> <name><surname>Van Doorsselaere</surname> <given-names>T.</given-names></name> <name><surname>Goossens</surname> <given-names>M.</given-names></name></person-group> (<year>2017b</year>). <article-title>Resonant absorption of the slow sausage wave in the slow continuum</article-title>. <source>Astron. Astrophys.</source> <volume>602</volume>:<fpage>A108</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1051/0004-6361/201630355</pub-id></citation></ref>
</ref-list>
<fn-group>
<fn id="fn0001"><p><sup>1</sup>The standard definition of vorticity in fluid dynamics is <inline-formula><mml:math id="M3"><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>. Here the analysis uses the Lagrangian displacement <inline-formula><mml:math id="M4"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M5"><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is referred to as vorticity. Since <inline-formula><mml:math id="M6"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> it follows that <inline-formula><mml:math id="M7"><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>. <inline-formula><mml:math id="M8"><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is a measure for the rate of variation of the volume of a material fluid element. In the present paper <inline-formula><mml:math id="M9"><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is referred to as compression.</p></fn>
</fn-group>
<fn-group>
<fn fn-type="financial-disclosure"><p><bold>Funding.</bold> IA was supported by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness (MINECO) through projects AYA2014-55456-P (Bayesian Analysis of the Solar Corona) and AYA2014-60476-P (Solar Magnetometry in the Era of Large Solar Telescopes) and FEDER funds. TV was supported by the GOA-2015-014 (KU Leuven) and the European Research Council (ERC) under the European Union&#x00027;s Horizon 2020 research and innovation programme (grant agreement No. 724326).</p>
</fn>
</fn-group>
</back>
</article>