Time evolution of weakly turbulent processes in the presence of collisional interactions in astrophysical plasmas

• Ano de defesa: 2019
• Autor(a) principal: Ferrão, Sabrina Tigik
• Orientador(a): Ziebell, Luiz Fernando
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: eng
• Palavras-chave em Português: Ondas de Langmuir em plasmas; Teoria da turbulencia; Instabilidade em plasmas
• Link de acesso: http://hdl.handle.net/10183/204493

A teoria de turbulência fraca tem sido uma importante ferramenta teórica para o estudo de instabilidades cinéticas não lineares em plasmas. Por um longo tempo, esta teoria tratou exclusivamente do estudo de processos oscilatórios e de sua influência na dinâmica do plasma. Entretanto, a escala de tempo de longa duração dos processos não lineares sugere que processos colisionais podem ter algum efeito na dinâmica do plasma, atuando em conjunto com os efeitos dos processos coletivos não-lineares. Em um trabalho recente [P. H. Yoon et al., Phys. Rev. E 93:033203 (2016)], efeitos colisionais e processos coletivos foram sistematicamente incorporados, partindo de primeiros princípios, nas equações da teoria de turbulência fraca, considerando oscilações eletrostáticas. O resultado dessa abordagem inovadora foi uma expressão matemática formal para a taxa de amortecimento colisional para ondas de Langmuir e íon-acústicas, e a descoberta de um novo processo fundamental de emissão de flutuações eletrostáticas, na faixa de frequência das ondas de Langmuir e das ondas íon-acústicas, causado por interações binárias entre partículas do plasma, nomeado como bremsstrahlung eletrostático. Neste estudo, introduzimos as primeiras análises numéricas relativas a essas duas novas equações e discutimos a relevância desses resultados numéricos no contexto da física solar. O primeiro trabalho a ser discutido se refere à nova equação para o amortecimento colisional, e nele comparamos o resultado da integração numérica dessa expressão, com a largamente usada fórmula de Spitzer. Com isso conseguimos mostrar que a aproximação de Spitzer superestima em muito a intensidade da atenuação colisional das ondas de plasma. Além disso, a falta de relevância da taxa de amortecimento colisional fica demonstrada quando a comparamos com a taxa de amortecimento não colisional (de Landau). No segundo trabalho, analizamos o até então ignorado efeito de bremsstrahlung eletrostático. Mostramos que a presença da emissão de bremsstrahlung eletrostático modifica o espectro das ondas de Langmuir que, por sua vez, altera a forma da função de distribuição inicial dos elétrons, suposta Maxwelliana. Após um longo tempo de evolução temporal (integração numérica), o sistema parece chegar a um novo estado quase-estacionário, no qual a forma da função de distribuição de velocidades dos elétrons lembra a forma de uma função de distribuição núcleo-halo, ou seja, composta por um núcleo Maxwelliano e uma cauda supratérmica. Os resultados de ambas análises são sem precedentes; as perspectivas e as possibilidades para novos estudos neste assunto são promissoras. No final é também apresentado um resultado extra, indiretamente relacionado ao assunto principal desse projeto de trabalho de doutorado, relativo à análise do conjunto completo de equações eletromagnéticas da teoria de turbulência fraca, na presença de uma função de distribuição de velocidades núcleo-halo.