Aceleración y calentamiento de iones en el viento solar

Abstract

Respecto al problema de la aceleración y calentamiento de iones en el viento solar, observaciones recientes y resultados teóricos parecen indicar que la mayor parte de los procesos de aceleración y calentamiento del plasma ocurre a unos pocos radios solares de distancia respecto del Sol, y que el mecanismo principal corresponde a la absorción resonante de ondas electromagnéticas tipo ión-ciclotrón por parte de las partículas. Para estudiar este problema, en este trabajo de tesis se considera la interacción onda partícula y la evolución de ondas electromagnéticas propagándose a través de un plasma compuesto de electrones, protones y una porción minoritaria de partículas a. El análisis presentado ha sido hecho a partir de dos enfoques: (1) una teoría cinética cuasilineal para estudiar la transferencia de energía entre ondas y partículas, y la posterior aceleración y calentamiento de los iones; (2) la realización de simulaciones numéricas híbridas en una dimensión espacial, con y sin incluir un modelo de caja en expansión que emula la expansión esférica del viento solar, para investigar la interacción completamente no lineal entre ondas y partículas. Los resultados numéricos de ambos enfoques indican una evolución anisotrópica de las temperaturas de ambas especies a expensas de la energía del espectro inicial de ondas; en un efecto tipo cascada se observa la aparición de modos de frecuencias más altas que las consideradas inicialmente. Tanto el calentamiento del plasma como la cascada de energía fueron más eficientes en el análisis no lineal que en el cuasilineal.

On the problem of acceleration and heating of ions in the wind solar, recent observations and theoretical results seem to indicate that most of the processes of acceleration and heating of solar wind plasma occur within a few solar radii from the Sun, and that the main mechanism corresponds to the resonant absorption of ion-cyclotron waves by particles. To address these issues, in this thesis we study the wave-particle interaction, and the evolution of electromagnetic waves propagating through a plasma composed of electrons, protons and a small concentration of a-particles. The analysis presented has been made using two approaches: (1) a quasilinear kinetic theory has been developed to study the energy transfer between waves and particles, with the subsequent acceleration and heating of ions; (2) onedimensional hybrid numerical simulations have been performed, with and without including an expanding-box model that emulates the spherical expansion of the solar wind, to investigate the fully nonlinear wave-particle interaction. Numerical results of both approaches show that there is an anisotropic evolution of both species temperatures, at the expense of the initial wave-spectrum energy; in a cascade effect, we observe the emergence of modes at frequencies higher than those initially considered. Both the heating of the plasma as the energy cascade were more efficient in the nonlinear analysis than in the quasilinear.