Simulação cinéticas para modelagens de fenômenos em plasma espaciais

• Main Author: Márcio Augusto Ernesto de Moraes
• Other Authors: Maria Virgínia Alves
• Language: Portuguese
• Published: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais 2004
• Online Access: http://urlib.net/sid.inpe.br/jeferson/2004/06.07.16.08

Este trabalho de Doutorado tem como objetivo estudar alguns fenômenos em plasmas espaciais através de teorias existentes e simulações computacionais via partículas. Primeiramente nos concentramos em estudar os processos envolvendo as interações não lineares entre ondas de Langmuir, eletromagnéticas e íon acústicas que são associadas às explosões de rádio solar do tipo III. Para isto, deduzimos uma relação de dispersão partindo das equações generalizadas de Zakharov, considerando duas ondas indutoras de Langmuir contrapropagantes e com amplitudes diferentes, e a excitação de ondas eletromagnéticas e de ondas de Langmuir. A partir da solução numérica da relação de dispersão, encontramos que as propriedades de estabilidade dependem do número de onda da onda indutora e da razão entre as amplitudes das ondas indutoras contrapropagantes. A presença da segunda onda indutora permite gerar ondas eletromagnéticas convertidas para cima e para baixo, simultaneamente, e que se a segunda onda indutora tiver amplitude diferente da primeira surgem regiões de instabilidade convectiva. A segunda parte do trabalho consistiu no estudo das instabilidades associadas à não girotropia dos elétrons. Partimos da equação de Vlasov, considerando presentes três espécies de partículas, elétrons ( e ) e prótons ( p ) do plasma de fundo, com função de distribuição do tipo 0 ( ) ( , ) e p x f v v⊥ , e uma terceira espécie, elétrons (b ) com função de distribuição do tipo f0b (vx ,v ,φ bt) ⊥ + , que representa um agrupamento de partículas girando em torno do campo magnético ambiente, e deduzimos uma relação de dispersão linear. Resolvemos numericamente esta relação de dispersão com parâmetros observados in situ, para diferentes tipos de não girotropia. Observamos que para determinados parâmetros a não girotropia intensifica instabilidades existentes. Com base nos resultados da análise linear, realizamos simulações computacionais via partículas usando os mesmos parâmetros para diferentes tipos de não girotropia. De um modo geral, as simulações mostraram que a não girotropia desestabiliza o meio, excita novos tipos de atividades de ondas, amplifica e estimula modos eletrostáticos e eletromagnéticos, devido à energia livre que a não girotropia fornece. === The purpose of this doctoral thesis is to study some phenomena in space plasma using theoretical models and computer simulation via particles. Firstly, we concentrate on studying the process involving nonlinear interactions among Langmuir, electromagnetic and ion acoustic waves, associated with type III solar radio bursts. Starting from the generalized Zakharov equations, considering two counter propagating Langmuir pump waves with different amplitudes, and excitation of electromagnetic and induced Langmuir waves, we obtain a general dispersion relation. From numerical solutions of the dispersion relation, we found that the stability properties depend on the pump wave numbers and on the ratio of the wave amplitudes of the counter propagating pump waves. The inclusion of a second pump wave allows the simultaneous generation of up and down converted electromagnetic waves. When the second pump wave has different amplitude from the first, convective instability regions appear. The second part of this work consists in the study of instabilities associated with electron nongyrotropy. The Vlasov equation is used to obtain the dispersion relation for the system, considering three species of particles: electrons ( e ) and protons ( p) of background plasma, with distribution function of type 0 ( ) ( , ) e p x f v v⊥ , and a third specie, electrons (b ), with distribution function 0 ( , , ) b x b f v v φ t ⊥ + , that represents phase bunched particles rotating around the ambient magnetic field. We numerically solve this dispersion relation with parameters observed in situ for different types of nongyrotropy. We observe that for determined parameters the nongyrotropy enhances preexisting instabilities. Based on numerical results of the linear analyses, we realized computer simulations via particles, for different types of nongyrotropy. In a general way, the simulations show that the free energy provided by nongyrotropy destabilizes the system, excites new types of wave activities, amplify and stimulate electrostatic and electromagnetic waves.