Ordem e caos em plasmas magnetizados

Autor(es)

Roberto da Trindade Faria Junior

• Tipo de documento: Tese de Doutorado
• Imprenta: Campinas, SP.
• Instituição: Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Instituto de Física Gleb Wataghin
• Data de defesa: 1999-03-12

Membros da banca

Paulo Hiroshi Sakanaka; Padma Kant Shukla; Ricardo Magnus Osório Galvão; Roberto Antonio Clemente; Munemasa Machida

• Orientador: Paulo Hiroshi Sakanaka

Resumo

A presente tese visa a apresentar um claro entendimento de alguns fenômenos não-lineares importantes que ocorrem tanto em plasmas espaciais quanto em plasmas de laboratório. Especificamente os estudos analíticos e numéricos apresentados focalizam as propriedades eletromagnéticas turbulentas bem como as estruturas coerentes e os comportamentos caóticos em um magnetoplasma de multi-componentes. Enfatiza-se a geração de ondas eletromagnéticas, devido à presença de fluxos de plasma de cisalhamento em um magnetoplasma não-uniforme que contém um gradiente de densidade no equilíbrio. Dois cenários são considerados. Primeiramente são estudadas as flutuações eletromagnéticas de alta-freqüência (em comparação com a freqüência de plasma dos íons e da giro-freqüência dos íons, mas menor do que a giro-freqüência dos elétrons) e do comprimento de onda longo (em relação ao raio de giro dos elétrons) envolvendo somente o movimento dos elétrons; os íons são considerados estacionários, compondo o fundo de plasma, porque em uma escala de tempo curta, eles não respondem aos distúrbios eletromagnéticos. Deduz-se então um conjunto de equações não-lineares, onde as equações de fluido são usadas com a aproximação da velocidade de deriva para os elétrons, suplementadas pelas leis de Ampère e Faraday. De outro modo, a resposta dos ions foi incluida para as ondas de freqüências baixas (em referência à giro-freqüência dos ions) e comprimento de onda longo (em comparação com o raio de giro dos ions, pi) bem como para as de comprimento de onda curto (referente a pi). As equações não-lineares apropriadas para o caso de comprimento de onda longo são obtidas, considerando o modelo de dois-fluidos, enquanto que para comprimentos de onda curto emprega-se o modelo híbrido com a cinética dos ions. As relações de dispersão locais são deduzias, desprezando os termos não-lineares do sistema das equações dinâmicas, considerando que o comprimento das Autuações são mais curtos do que as escalas de comprimento dos gradientes de densidade e de velocidade. As análises numéricas das relações de dispersão visam exibir as variações das taxas de crescimento para os parâmetros típicos de sistemas de plasma espacial. Demonstra-se que os fluxos do plasma de cisalhamento podem provocar Autuações de alta e baixa freqüência, mesmo na ausência do gradiente de densidade. As flutuações dos fluxos de plasma de cisalhamento adquirem grandes amplitudes e começam a interagir entre si. Tal acoplamento não-linear provê a possibilidade de auto-organização na forma de diversos tipos de estruturas verticais em um magnetoplasma não-dissipativo. Atribui-se a formação de vórtices às não linearidades vetoriais que aparecem devido à deriva de polarização não-linear dos elétrons/íons e ao acoplamento da velocidade de fluido paralelo com a perturbação do campo magnético de cisalhamento. Os perfis específicos do vórtice dipolar, das cadelas de vórtices e de vórtices rotacionais são encontrados analítica e numericamente. Os resultados são então aplicados na ionosfera terrestre e na magnetosfera a fim de se entender as características salientes dos vórtices curtos e longos que existem em associação com os fluxos de plasma de cisalhamento. A teoria de vórtices é também estendida para os sistemas de plasma de multi-componentes, onde a presença de grãos de poeira carregados ("dusty plasmas"), mesmo estacionários, possibilitam o aparecimento de corrente E x Bo. Esta última é responsável por novos auto-modos, contribuindo para uma melhor localização do vórtice dipolar de Alfvén em um plasma de multi-espécies. O comportamento caótico da turbulência eletromagnética tem sido estudada, retendo os efeitos dissipativos (resistividade, viscosidade, ete.). No presente trabalho mostramos pela primeira vez que as equações dinâmicas para as ondas eletromagnéticas não-lineares acopladas podem ser representadas na forma das equações de Lorenz-Stenflo. Estas últimas admitem trajetórias caóticas e atratores estranhos que dependem fortemente dos parâmetros do plasma. Também é examinada a estabilidade dos pontos fixos. Finalmente, discute-se a possibilidade do aparecimento de campos magnéticos espontâneos em um plasma com poeiras carregadas e portando gradientes de densidade denúmero e de temperatura. Os campos magnéticos podem ser mantidos por vórtices que são criados pelo vetor baroclínico. A fim de demonstrar este fenômeno, o equilíbrio auto-consistente não-linear do "dusty plasma" é discutido, empregando uma descrição cinéticas invocando um modelo Hamiltoniano. São encontrados perfis de equilíbrio do número de densidade do plasma, do fluxo de velocidade, da densidade de corrente, do campo magnético e do potencial elétrico para parâmetros que são relevantes para plasmas de laboratório e astrofísicos. Observações recentes mostram conclusivamente a presença de vórtices em um experimento de "dusty plasma", considerando a microgravidade, apesar do plasma ser fortemente acoplado (AU)

• Processo FAPESP: 95/03658-7 - Espectro MHD em plasma cilíndrico viscoso e com fluxo
• Beneficiário: Roberto da Trindade Faria Júnior
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado