Registro:
| Documento: | Tesis Doctoral |
| Título: | Energización de iones en turbulencia de plasmas : enfoque magnetohidrodinámico y cinético |
| Título alternativo: | Ion energization in plasma turbulence : magnetohydrodynamic and kinetic approach |
| Autor: | Pugliese, Facundo Leonel |
| Editor: | Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales |
| Lugar de trabajo: | Universidad de Buenos Aires - CONICET. Instituto de Física Interdisciplinaria y Aplicada (INFINA)
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| Fecha de defensa: | 2025-04-14 |
| Fecha en portada: | 14 de Abril de 2025 |
| Grado Obtenido: | Doctorado |
| Título Obtenido: | Doctor de la Universidad de Buenos Aires en el área de Ciencias Físicas |
| Departamento Docente: | Departamento de Física |
| Director: | Dmitruk, Pablo Ariel |
| Consejero: | Balenzuela, Pablo |
| Jurado: | Moya, Pablo; Márquez, Adriana Beatriz; Minotti, Fernando Oscar |
| Idioma: | Español |
| Palabras clave: | PLASMA; ACELERACION DE PARTICULAS CARGADAS; TURBULENCIA; TEORIA CINETICA; SIMULACIONES NUMERICAS DIRECTASPLASMA; CHARGED PARTICLE ACCELERATION; TURBULENCE; KINETIC THEORY; DIRECT NUMERICAL SIMULATIONS |
| Formato: | PDF |
| Handle: |
https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7731_Pugliese |
| PDF: | https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/download/tesis/tesis_n7731_Pugliese.pdf |
| Registro: | https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/collection/tesis/document/tesis_n7731_Pugliese |
| Ubicación: | FIS 007731 |
| Derechos de Acceso: | Esta obra puede ser leída, grabada y utilizada con fines de estudio, investigación y docencia. Es necesario el reconocimiento de autoría mediante la cita correspondiente. Pugliese, Facundo Leonel. (2025). Energización de iones en turbulencia de plasmas : enfoque magnetohidrodinámico y cinético. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales). Recuperado de https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7731_Pugliese |
Resumen:
La turbulencia es un fenómeno observable en casi todos los flujos de la naturaleza, tanto neutros cómo cargados. Se da como consecuencia de la interacción no lineal entre los distintos grados de libertad del sistema, permitiendo el transporte de energía entre escalas. En la imagen habitual, esta cascada de energía se da desde la escala de inyección hacia escalas más pequeñas, donde eventualmente es disipada como calor. Aunque en flujos neutros la disipación se da principalmente por colisiones entre las partículas o moléculas que lo componen, en flujos cargados cómo los plasmas la dinámica puede ser mucho más rica. Para plasmas poco densos cómo el viento solar, el efecto de las colisiones puntuales entre partículas es despreciable y cualquier mecanismo de disipación de energía debe ser inherentemente colectivo. Muchas de las propuestas existentes en la literatura dependen en mayor o menor medida de la producción de partículas supraenergéticas que escapan del plasma como rayos cósmicos, llevándose consigo parte de la energía del sistema. Si bien se conocen múltiples mecanismos eficientes para la aceleración de partículas, cómo la reconexión magnética y los choques no colisionales, estos no son inherentemente turbulentos (aunque pueden verse propiciados por la presencia de turbulencia). El objetivo de esta tesis es estudiar mecanismos de aceleración de partículas cargadas en presencia de turbulencia, puntualmente iones, mediante simulaciones numéricas directas. Cómo primera aproximación al problema, trabajaremos con partículas de prueba inmersas en un plasma modelado con la aproximación magnetohidrodinámica (MHD). A pesar de estar cargadas, las partículas de prueba no generan campos electromagnéticos propios, sino que solo responden a los dados por el modelo MHD. Comenzaremos estudiando la dinámica de iones con distintas cocientes de carga y masa e identificaremos un mecanismo dominante de acumulación y aceleración, cuya eficiencia depende de este cociente. Luego, mostraremos que este mecanismo es inherentemente turbulento, comparando con simulaciones de MHD linealizado. En el modelo MHD linealizado, el plasma está compuesto por múltiples tipos de onda con las que las partículas pueden entrar en resonancia, ganando energía. Compararemos ambos mecanismos en distintos regímenes y mostraremos que la presencia de ondas es disruptiva para la aceleración de protones, pues interfiere con el mecanismo turbulento. Finalmente, desarrollaremos un código cinético híbrido de tipo particle-in-cell (PIC), donde los protones tienen campo electromagnético propio pero los electrones se modelan cómo un fluido sin masa. Compararemos la aceleración de protones en este modelo cinético con la previamente estudiada en MHD. Veremos que aunque la aproximación de partículas de prueba produce resultados cualitativamente similares a los del modelo cinético, arroja aceleraciones mayores y sobrestima la población de protones supraenergéticos.
Abstract:
Turbulence is a phenomenon observable in almost all natural flows, both neutral and charged. It arises as a consequence of the nonlinear interaction between the system’s different degrees of freedom, allowing the transport of energy across scales. In the usual picture, this energy cascade occurs from the injection scale to smaller scales, where it is eventually dissipated as heat. While in neutral flows dissipation mainly occurs due to collisions between the particles or molecules that comprise it, in charged flows such as plasmas, the dynamics can be much richer. For low-density plasmas such as the solar wind, the effect of particle-particle collisions is negligible, and any energy dissipation mechanism must inherently be collective. Many of the existing proposals in the literature rely to varying degrees on the production of suprathermal particles that escape the plasma as cosmic rays, carrying away part of the system’s energy. Although multiple efficient particle acceleration mechanisms are known, such as magnetic reconnection and collisionless shocks, these are not inherently turbulent (though they may be facilitated by the presence of turbulence). The goal of this thesis is to study mechanisms for the acceleration of charged particles, specifically ions, in the presence of turbulence through direct numerical simulations. As a first approach to the problem, we will work with test particles immersed in a plasma modeled using the magnetohydrodynamic (MHD) approximation. Although the test particles are charged, they do not generate their own electromagnetic fields but only respond to those given by the MHD model. We will begin by studying the dynamics of ions with different charge-to-mass ratios and will identify a dominant accumulation and acceleration mechanism, whose efficiency depends on this ratio. Then, we will show that this mechanism is inherently turbulent by comparing it with linearized MHD simulations. In the linearized MHD model, the plasma is composed of multiple types of waves with which the particles can resonate, gaining energy. We will compare both mechanisms in different regimes and show that the presence of waves is disruptive for proton acceleration, as it interferes with the turbulent mechanism. Finally, we will develop a hybrid kinetic code of the particle-in-cell (PIC) type, where protons have their own electromagnetic fields but electrons are modeled as a massless fluid. We will compare proton acceleration in this kinetic model with that previously studied in MHD. We will see that, although the test particle approach produces qualitatively similar results to the kinetic model, it yields higher accelerations and overestimates the population of suprathermal protons.
Citación:
---------- APA ----------
Pugliese, Facundo Leonel. (2025). Energización de iones en turbulencia de plasmas : enfoque magnetohidrodinámico y cinético. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.). Recuperado de https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7731_Pugliese
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Pugliese, Facundo Leonel. "Energización de iones en turbulencia de plasmas : enfoque magnetohidrodinámico y cinético". Tesis Doctoral, Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, 2025.https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7731_Pugliese
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