Aceleración de partículas cargadas en plasma turbulentos
La turbulencia es un fenómeno que se observa en casi todos los escenarios en el universo, tanto en fluidos neutros en la tierra hasta en flujos cargados como el medio interplanetario y objetos astrofísicos de mayor tamaño. La turbulencia es el resultado de la interacción no lineal de distintos grado...
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| Autor principal: | |
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| Otros Autores: | , , , , |
| Formato: | Tesis Libro |
| Lenguaje: | Español |
| Publicado: |
30 de Agosto 2018
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| Materias: | |
| Aporte de: | Registro referencial: Solicitar el recurso aquí |
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| 245 | 1 | 0 | |a Aceleración de partículas cargadas en plasma turbulentos |
| 246 | 3 | 1 | |a Charged particle acceleration in turbulent plasma |
| 260 | |c 30 de Agosto 2018 | ||
| 300 | |a xvii, 158 p. : |b il., gráfs. | ||
| 502 | |b Doctor de la Universidad de Buenos Aires en el área de Ciencias Físicas |c Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales |d 2018-08-30 | ||
| 506 | |2 openaire |e Autorización del autor |f info:eu-repo/semantics/openAccess | ||
| 518 | |o Fecha de publicación en la Biblioteca Digital FCEN-UBA | ||
| 520 | 3 | |a La turbulencia es un fenómeno que se observa en casi todos los escenarios en el universo, tanto en fluidos neutros en la tierra hasta en flujos cargados como el medio interplanetario y objetos astrofísicos de mayor tamaño. La turbulencia es el resultado de la interacción no lineal de distintos grados de libertad en determinado sistema, lo que permite el transporte de energía desde las escalas más grandes hacia la microescala donde la energía es finalmente disipada por diferentes mecanismos, como por ejemplo los efectos viscosos en un fluido neutro. La turbulencia de un flujo cargado es un poco más compleja de describir, ya que el plasma está compuesto por partículas cargadas (iones y electrones) que responden de manera colectiva a campos electromagnéticos auto-generados o externos, donde la interacción eléctrica es de corto alcance y macroscópicamente el plasma es neutro. Esto hace posible que en principio uno pueda describir el plasma desde una perspectiva fluidística, y es por esto que los estudios de la turbulencia en plasmas frecuentemente utilizados modelos de un fluido, en los cuales la macroescala es bien representada por la magnetohidrodinámica (MHD). Si bien los modelos MHD representan de manera correcta la macroescala y capturan la cascada de energía desde la escala donde esta es contenida hasta la escala de disipación, dominada por efectos viscosos y resistivos en el flujo, es bien sabido por comunidad científica que la cascada continua después de la escala de disipación en lo que se conoce como el rango cinético. Estas son las escalas asociadas a las partículas como tal, es el caso de la escala inercial de iones y electrones, como también el radio de Larmor asociado a los movimientos helicoidales de las partículas a lo largo del campo magnético en el plasma y otras escalas aún más chicas, como es el caso de la longitud de Debye donde la interacción electrostática se vuelve relevante. La importancia de la comprensión del proceso de cascada de energía y en especial los correspondientes mecanismos de disipación en la escalas cinéticas son parte fundamental en la física espacial, ya que esto podría ayudar a comprender el origen o los mecanismos que generan poblaciones de partículas altamente energéticas que se observan en el entorno terrestre y en otros escenarios en el universo. Es entonces el objetivo de esta tesis doctoral estudiar fenómenos que ocurren en las escalas cinéticas, que ayuden a comprender el proceso de cascada de energía entre las distintas escalas en el plasma y en especial en el rango cinético. También nos planteamos avanzar en la búsqueda de posibles mecanismos físicos que puedan producir aceleración de partículas cargadas. Es por esto que como primera aproximación a este problema aplicamos partículas de prueba sobre campos electromagnéticos turbulentos obtenidos a través de simulaciones numéricas directas de las ecuaciones MHD. Teniendo en cuanta las limitaciones de este modelo, es decir, que las escalas cinéticas no están contenidas en la descripción MHD y que no hay auto-consistencia de los campos y las partículas, estudiamos la dinámica de "iones" y "electrones" (medidos en base a la escala de disipación) y mostramos la importancia de las estructuras coherentes que se desarrollan naturalmente en un plasma turbulento. De esta manera, estudiamos la importancia de las características del plasma sobre la energización de las partículas: como su grado de compresibilidad, que tan magnetizado es el ambiente y la dinámica misma de las estructuras. Finalmente, estudiamos la turbulencia del plasma en las escalas cinéticas usando un modelo de dos fluidos, que extiende la descripción MHD tradicional incluyendo algunos efectos cinéticos como la corriente de Hall y la inercia electrónica (masa del electrón no nulla). También usamos métodos basados completamente en modelos cinéticos de plasma, como el método de partículas en celda (PIC). En particular, estudiamos las leyes de escala de la turbulencia en las escalas sub-protónicas, las características cinéticas del campo eléctrico y la importancia relativa de los terminos de la ley de Ohm generalizada en las correspondientes escalas del plasma. |l spa | |
| 520 | 3 | |a Turbulence is an ubiquitous phenomenon in the universe. It is observed from neutral fluids on earth to electrical charged flows in the interplanetary medium or other larger astrophysical objects. Turbulence is the result of the nonlinear interaction between many degrees of freedom in a given system, which allows the energy transfer from the largest scales to the microscales where the energy is finally dissipated by many mechanisms, for instance viscous effects in fluids. In a charged flow, the turbulence is more complex than in a neutral flow because many scales cohabit simultaneously in the charged flow. The plasma is composed of charged particles (e.g. ions and electrons) that respond collectively to the self-generated and external electromagnetic fields, where the electric interaction is short-range and macroscopically the plasma is neutral. In principle, this makes possible that one can describe the plasma from a fluidistic perspective and that is the reason why in plasma turbulence studies one-fuid models are often employed, where the macroscale is well represented by the magnetohydrodynamic (MHD) approach. Although the MHD model properly represents the macroscale and it can capture the energy cascade from the energy containing scale up to the dissipation scale by viscous and resistive effects, it is well known in the community that the cascade goes beyond the dissipation scales which is known as the kinetic range. That range is related with the particle scales, for instance the ion and electron inertial scales, and also the Larmor gyroradius associated with the particle cyclotron movements around the magnetic field lines in the plasma, and even smaller scales like the Debye length where the electrostatic interaction become relevant. The importance of the understanding of the energy cascade process and specially the corresponding dissipation mechanisms in kinetic scales is a fundamental problem in space physics, because that would allow to understand the origin of the mechanisms that generate the acceleration of the high energetic particle population observed around earth and other scenarios in the universe. It is the objective of this doctoral thesis to study phenomena that occur in the kinetic scales, which helps to understand the energy cascade between plasma scales, and specially at kinetic scales. We also propose to study possible physical mechanisms that can produce charged particle acceleration. Therefore, as a first approach to this problem, we employed a test particle method in turbulent electromagnetic fields obtained through direct numerical simulations of the MHD equations. Keeping in mind the limitations of this model, that kinetic scales are not contained in the MHD description and, that there is no self-consistency on the particles with the fields, we studied the dynamic of "ions" and "electrons" (measured on the basis of the dissipation scale) and we showed the importance of the coherent structures that are naturally developed in a turbulent plasma. In this way, we study the importance of the plasma features on the particles energization: for instance, the compressibility level, how magnetized is the environment and the coherent structure dynamic. Finally, we studied the plasma turbulence at kinetic scales using a two-fluid model, which deviates from the traditional MHD description, by including some kinetic effects such as Hall and electronic inertia (no nule electron mass). We also employed methods based on entirely kinetic plasma models, such as the particle-in-cells (PIC) method. In particular, we studied the turbulent scaling laws at sub-protonic scales, the kinetic features of the electric field and the relative importance of the generalized Ohm's law terms at the corresponding plasma scales. |l eng | |
| 540 | |2 cc |f https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.5/ar | ||
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