Una teoria multifluid per a l'estudi de les dinàmiques de plasma en l'atmosfera solar

La tesi doctoral de David Martínez Gómez també estudia l'escalfament del plasma a causa de la fricció associada a les col·lisions entre diferents espècies

La vida a la Terra depèn fonamentalment del Sol. A més, l'energia irradiada per aquest astre escalfa l'atmosfera terrestre i dona lloc als processos climàtics. Per tant, resulta d'especial importància entendre els fenòmens que ocorren en les diferents capes del Sol.

La tesi doctoral de David Martínez Gómez, defensada a la Universitat de les Illes Balears, se centra en l'estudi de l'atmosfera solar, un ambient altament dinàmic en el qual s'ha detectat una gran varietat d'ones i inestabilitats. La matèria en aquesta regió es troba en estat de plasma, i per comprendre la seva dinàmica es requereix una teoria que combini les equacions que descriuen les propietats i evolució dels fluids amb les dels camps elèctrics i magnètics.            

La magnetohidrodinàmica (MHD) ideal és una descripció útil quan els fenòmens d'interès estan associats a freqüències baixes. Per a escales temporals llargues, les espècies components del plasma estan fortament acoblades i poden ser tractades com un fluid únic. No obstant això, per a escales temporals més curtes, l'acoblament és més feble i les col·lisions entre les diferents espècies produeixen un desviament en les propietats de les ones respecte a les predites per la MHD ideal. Conseqüentment, es necessita una teoria més complexa i precisa.

En la tesi de David Martínez es presenta una teoria multifluid que té en compte els efectes de les col·lisions entre les diferents espècies del plasma. Tal teoria és aplicada a la recerca d'una àmplia varietat de capes i estructures de l'atmosfera solar, com la corona i el vent solar, que estan completament ionitzats, i la cromosfera i les protuberàncies (condensacions a la corona solar de material més fred i dens que l'ambient que les envolta), que s'hagin parcialment ionitzat.           

Mitjançant simulacions numèriques i mètodes analítics s'estudia l'impacte que les col·lisions tenen en les propietats de les ones d’Alfvén, de baixa freqüència, i els modes ió-ciclotró i whistler, d'alta freqüència. Es mostra que l'atenuació causada per la fricció deguda a les col·lisions està dominada per la interacció ió-neutre a baixes freqüències i per les col·lisions de Coulomb i la difusivitat magnètica (causada per col·lisions amb electrons) a altes freqüències.           

També s'ha posat el focus en l'estudi de l'escalfament del plasma a causa de la fricció associada a les col·lisions. Aquesta fricció causa la dissipació de l'energia cinètica i magnètica de les pertorbacions. Una fracció d'aquesta energia és transformada en calor, i augmenta la temperatura del fluid. En aquest treball es mostra que el plasma, en una protuberància o en la cromosfera, és escalfat mitjançant les col·lisions entre ions i partícules neutres.           

D'altra banda, també s'investiga la inestabilitat de Kelvin-Helmholtz, un fenomen que apareix en presència de fluxos de cisallament en la superfície de separació entre dos fluids. Exemples d'aquest fenomen es poden trobar en l'atmosfera terrestre, en forma de núvols que es retorcen sobre si mateixos. En les protuberàncies de la corona solar (que estan formades per fils fins i llargs), l'evolució de la inestabilitat de Kelvin-Helmholtz es veu afectada per la interacció entre ions i àtoms neutres. Mitjançant l'estudi de la fase inicial d'aquesta inestabilitat, s'ha comprovat que les col·lisions entre ions i neutres redueixen els ritmes de creixement de la inestabilitat, però no eviten per complet que aparegui. La comparació dels resultats obtinguts mitjançant el model multifluid amb observacions realitzades per altres autors mostra que els ritmes de creixement de la inestabilitat calculats són compatibles amb la vida mitjana típica dels fils de protuberàncies. 

La recerca inclosa en aquesta tesi ha donat com a resultat la publicació dels següents tres articles en revistes internacionals amb revisor indexades al Q1 de JCR:

A més, un quart article es troba en procés de revisió:

  • David Martínez-Gómez, Roberto Soler and Jaume Terradas. «Multi-fluid approach to high-frequency waves in plasmas. III. Nonlinear regime and plasma heating». The Astrophysical Journal. 2018. 

Aquests resultats també s'han donat a conèixer a la comunitat científica a través de presentacions orals en dos congressos d'àmbit nacional i altres dos d'àmbit internacional.

Fitxa de la tesi doctoral

  • Títol: High-frequency waves and instabilities in multi-fluid partially ionized solar plasmas
  • Autor: David Martínez Gómez
  • Programa de doctorat: Física
  • Departament: Física
  • Directors: Robert Soler Juan i Jaume Terradas Calafell. 

Data de publicació: 31/01/2018