In the present work, we introduce a never before studied soliton equation called the intermediate mixed Manakov (IMM) equation. Through a pole ansatz, we prove that the equation has N-soliton solutions with pole parameters governed by the hyperbolic Calogero-Moser system. We also show that there are spatially periodic N-soliton solutions with poles obeying elliptic Calogero-Moser dynamics. A Lax pair is given in the form of a Riemann-Hilbert problem on a cylinder. A similar Lax pair is shown to imply a novel spin generalization of the intermediate nonlinear Schrödinger equation. Some conservation laws for the IMM are proven. We demonstrate that the IMM can be written as a Hamiltonian system, with one of these conserved quantities as the Hamiltonian. Finally, a physical interpretation is given by showing that the IMM can be rewritten to describe a system of two nonlocally coupled fluids, with nonlinear self-interactions. / Vi presenterar en aldrig tidigare studerad solitonekvation som vi döper till ‘the intermediate mixed Manakov equation’ (ungefär ‘den mellanliggande kopplade Manakovekvationen’. Kortform: IMM). Genom en polansats bevisar vi att ekvationen har N-solitonlösningar där polparametrarna utgör ett hyperboliskt Calogero-Mosersystem. Vi visar också att det finns rumsligt periodiska N-solitonlösningar vars poler följer elliptisk Calogero-Moserdynamik. Ett Laxpar ges i form av ett Riemann-Hilbertproblem på en cylinder. Vi demonstrerar att ett liknande Laxpar leder till en ny spinngeneralisering av den s.k. INLS-ekvationen. Några bevarandelagar för IMM bevisas. Vi visar att IMM-ekvationen kan skrivas som ett Hamiltonskt system, där Hamiltonianen är en av våra tidigare bevarade storheter. Till sist ger vi en fysikalisk tolkning av vår ekvation genom att demonstrera hur den beskriver ett system av ickelokalt interagerande vätskor, med ickelinjära självinteraktioner.

We study the interconnections between the spin Benjamin-Ono (sBO) and half-wave maps (HWM) equations, a pair of nonlinear partial integro-differential equations that have recently been found to permit multi-soliton solutions, where the time evolution of the constituent solitons can be described in terms of the well-known, completely integrable, spin Calogero-Moser (sCM) system. By considering a symmetry transformation of the sCM dynamics we are led to introduce a scale parameter into the sBO equation, yielding what we call the rescaled sBO (rsBO) equation, which has both the sBO and HWM equations as special cases. Together with the addition of a new constant background term in the multi-soliton ansatz for the sBO equation, this allows us to formulate a theorem for the rsBO equation that unifies and generalizes previously known soliton theorems for the sBO and HWM equations. The theorem offers a new perspective on these equations; we use it to show the emergence of HWM dynamics in a certain background-dominated limit of the sBO equation, and to suggest a generalization of the HWM equation. Along the way we discuss basic properties of the new multi-soliton solutions, and how to construct them. We spend some time proving that indeed all previously known multi-soliton solutions of the HWM equation are given by the new theorem, and not just a subset. We discuss, and state a conjecture about, possible physical interpretations of the sBO equation. Finally, we apply the same ideas to the spin non-chiral intermediate long-wave (sncILW) and non-chiral intermediate Heisenberg ferromagnet (ncIHF) equations, find that they are related in the same way as the sBO and HWM equations, and formulate a unified theorem for their multi-soliton solutions. For ease of exposition we keep the discussion to hermitian solutions of the sBO and sncILW equations and $\bb R^3$-valued solutions of the HWM and ncIHF equations, though readers familiar with the subject will have no problem generalizing to the non-hermitian and $\bb C^3$-valued cases. / Vi studerar kopplingarna mellan sBO- (spin Benjamin-Ono) och HWM- (half-wave maps) ekvationerna, två ickelinjära partiella integrodifferentialekvationer som nyligen visat sig tillåta multisolitonlösningar, där tidsevolutionen av ingående solitoner kan beskrivas av det välkända, fullständigt integrerbara sCM- (spin Calogero-Moser) systemet. Genom att undersöka en symmetritransformation av sCM-dynamiken leds vi att introducera en skalparameter i sBO-ekvationen, vilket ger upphov till vad vi kallar för rsBO- (rescaled sBO) ekvationen, som har både sBO- och HWM-ekvationerna som specialfall. Tillsammans med införandet av en ny konstant bakgrundsterm i multisolitonansatsen för sBO-ekvationen så låter detta oss formulera en sats för rsBO-ekvationen som förenar och generaliserar tidigare kända solitonsatser för sBO- och HWM-ekvationerna. Satsen ger ett nytt perspektiv på dessa ekvationer; vi använder den för att påvisa uppkomsten av HWM-dynamik i en viss bakgrundsdominerad gräns av sBO-ekvationen, och för att föreslå en generalisering av HWM-ekvationen. Längs vägen diskuterar vi grundläggande egenskaper hos de nya multisolitonlösningarna och hur man konstruerar dem. Vi lägger lite tid på att bevisa att mycket riktigt alla tidigare kända multisolitonlösningar av HWM-ekvationen ges av den nya satsen, och inte bara en delmängd. Vi diskuterar, och formulerar en konjektur kring, möjliga fysiska tolkningar av sBO-ekvationen. Slutligen tillämpar vi samma idéer på sncILW- (spin non-chiral intermediate long-wave) och ncIHF- (non-chiral intermediate Heisenberg ferromagnet) ekvationerna, finner att de är relaterade på samma sätt som sBO- och HWM-ekvationerna, och formulerar en förenad sats för deras multisolitonlösningar. För att förenkla presentationen håller vi diskussionen till hermiteska lösningar av sBO- och sncILW-ekvationerna samt $\bb R^3$-värda lösningar av HWM och ncIHF-ekvationerna, men läsare bekanta med ämnet bör utan besvär kunna generalisera till de icke-hermiteska och $\bb C^3$-värda fallen.

This thesis addresses solitary waves and their significance for auroral particle acceleration, coronal heating and incoherent scatter radar spectra. Solitary waves are formed due to a balance of nonlinear and dispersive effects. There are several nonlinearities present in ideal magnetohydrodynamics (MHD) and dispersion can be introduced by including theHall termin the generalised Ohm’s law. The resulting system of equations comprise the classical ideal MHD waves, whistlers, drift waves and solitarywave solutions. The latter reside in distinct regions of the phase space spanned by the speed and the angle (to the magnetic field) of the propagating wave. Within each region, qualitatively similar solitary structures are found. In the limit of neglected electron intertia, the solitary wave solutions are confined to two regions of slow and fast waves, respectively. The slow (fast) structures are associated with density compressions (rarefactions) and positive (negative) electric potentials. Such negative potentials are shown to accelerate electrons in the auroral region (solar corona) to tens (hundreds) of keV. The positive electric potentials could accelerate solar wind ions to velocities of 300–800 km/s. The structure widths perpendicular to themagnetic field are in the Earth’s magnetosphere (solar corona) of the order of 1–100 km (m). This thesis also addresses a type of incoherent scatter radar spectra, where the ion line exhibits a spectrally uniform power enhancement with the up- and downshifted shoulder and the spectral region in between enhanced simultaneously and equally. The power enhancements are one order of magnitude above the thermal level and are often localised to an altitude range of less than 20 km at or close to the ionospheric F region peak. The observations are well-described by a model of ion-acoustic solitary waves propagating transversely across the radar beam. Two cases of localised ion line enhancements are shown to occur in conjunction with auroral arcs drifting through the radar beam. The arc passages are associated with large gradients in ion temperature, which are shown to generate sufficiently high velocity shears to give rise to growing Kelvin-Helmholtz (K-H) instabilities. The observed ion line enhancements are interpreted in the light of the low-frequency turbulence associated with these instabilities. / Denna avhandling handlar om solitära vågor och deras roll i norrskensacceleration och koronaupphettning, samt deras signatur i spektra uppmätta med inkoherent spridningsradar. Solitära vågor bildas genom en balans mellan ickelinjära och dispersiva effekter. Ickelinjäriteter finns det gott om i ideal magnetohydrodynamik (MHD) och dispersion kan införas genom att inkludera Halltermen i den generaliserade Ohms lag. Det resulterande ekvationssystemet omfattar de klassiska vågorna inom ideal MHD, visslare, driftvågor och solitära vågor. De sistnämnda återfinns i väldefinierade områden i fasrummet som spänns upp av farten och vinkeln (mot magnetfältet) för den propagerande vågen. Inom varje sådant område återfinns kvalitativt lika solitära våglösningar. Om man försummar elektronernas tröghet begränsas de solitära våglösningarna till två områden med långsamma respektive snabba vågor. De långsamma (snabba) strukturerna är associerade med täthets-kompressioner (förtunningar) och positiva (negativa) elektriska potentialer. De negativa potentialerna visas kunna accelerera elektroner i norrskensområdet (solens korona) till tiotals (hundratals) keV medan de positiva potentialerna accelererar solvindsjoner till hastigheter på 300–800 km/s. Strukturbredderna vinkelrät mot magnetfältet är i jordens magnetosfär (solens korona) av storleksordningen 1–100 km (m). Denna avhandling tar även upp en typ av inkoherent spridningsradarspektra, där jonlinjen uppvisar en spektralt uniform förstärkning. Detta innebär att den upp- och nedskiftade skuldran och spektralbandet däremellan förstärks simultant och i lika hög grad. Effektförstärkningen är en storleksordning över den termiska nivån och är ofta lokaliserad till ett höjd-intervall av mindre än 20 km nära jonosfärens F-skiktstopp. Observationerna beskrivs väl av en modell med solitära vågor som propagerar transversellt genom radarstrålen. Två fall av lokaliserade jonlinjeförstärkningar visas sammanfalla med att norrskensbågar driver genom radarstrålen. I samband med bågarnas passage uppmäts stora gradienter i jontemperatur, vilket visas skapa tillräckligt kraftiga hastighetsskjuvningar för att Kelvin-Helmholtz-instabiliteter ska tillåtas växa. De observerade jonlinjeförstärkningarna tolkas i skenet av den lågfrekventa turbulensen som är kopplad till dessa instabiliteter.