Eventos extremos e estruturas coerentes na turbulência: estudo de caso para o vento solar

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Tiago Francisco Pinheiro Gomes
Data de Publicação: 2018
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do INPE
Texto Completo: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21c/2018/11.21.13.47
Resumo: Na presente tese, são aplicadas técnicas estatísticas para modelagens de distribuições de eventos extremos, detecção de lâminas de correntes, análises de turbulência intermitente e detecção de Dragon Kings em dados observacionais e simulados do vento solar. Mostramos que lâminas de correntes são as estruturas coerentes responsáveis pela presença de turbulência bem desenvolvida de Kolmogorov em séries temporais do módulo do campo magnético do vento solar, além de serem as grandes responsáveis pela positividade do parâmetro de forma, principal parâmetro da teoria clássica de valores extremos e responsável por caracterizar o comportamento das caudas das distribuições generalizadas de Pareto e de valores extremos. Propomos uma nova técnica para detecção de lâminas de correntes e reconexões magnéticas baseada na volatilidade. Além disto, propomos uma prova teórica para a objetividade de uma nova técnica lagrangiana de detecção de vórtices magnéticos, validando sua utilização em plasmas espaciais. Baseado no campo de velocidades, propomos uma nova técnica euleriana e independente do referencial para detecção de centros vorticais. Identificamos inconsistências em técnica lagrangiana e objetiva de detecção de vórtices baseados na vorticidade quando aplicado em plasma solar, para o qual propomos uma solução. Para a modelagem estatística de eventos extremos, utilizamos a teoria clássica de eventos extremos, a qual se baseia nas técnicas de picos acima de um limiar e de máximos em blocos. Para a simulação de ambiente interplanetário, utilizamos simulação MHD-3D compressível, adiabática e com forçante não helicoidal. Fomos os primeiros a aplicar com sucesso a teoria de Dragon Kings em dados do vento solar, encontrando fortes evidências de que reconexões magnéticas pertencem a esta classe especial de eventos extremos. Para as análises estatísticas de Dragon Kings, utilizamos o teste-U, teste-DK e intervalos de confiança para distribuições de leis de potência.
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spelling info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisEventos extremos e estruturas coerentes na turbulência: estudo de caso para o vento solarExtreme events and coherent structures in turbulence: a case study for the solar wind2018-10-19Erico Luiz RempelAbraham Chian Long-ChianRenato Sergio DallaquaRodrigo Andrés Miranda CerdaMarisa RobertoTiago Francisco Pinheiro GomesInstituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)Programa de Pós-Graduação do INPE em Geofísica Espacial/Ciências do Ambiente Solar-TerrestreINPEBRvento solarestruturas coerenteseventos extremosturbulênciavórtices magnéticossolar windcoherent structuresextreme eventsturbulencemagnetic vorticesNa presente tese, são aplicadas técnicas estatísticas para modelagens de distribuições de eventos extremos, detecção de lâminas de correntes, análises de turbulência intermitente e detecção de Dragon Kings em dados observacionais e simulados do vento solar. Mostramos que lâminas de correntes são as estruturas coerentes responsáveis pela presença de turbulência bem desenvolvida de Kolmogorov em séries temporais do módulo do campo magnético do vento solar, além de serem as grandes responsáveis pela positividade do parâmetro de forma, principal parâmetro da teoria clássica de valores extremos e responsável por caracterizar o comportamento das caudas das distribuições generalizadas de Pareto e de valores extremos. Propomos uma nova técnica para detecção de lâminas de correntes e reconexões magnéticas baseada na volatilidade. Além disto, propomos uma prova teórica para a objetividade de uma nova técnica lagrangiana de detecção de vórtices magnéticos, validando sua utilização em plasmas espaciais. Baseado no campo de velocidades, propomos uma nova técnica euleriana e independente do referencial para detecção de centros vorticais. 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Para as análises estatísticas de Dragon Kings, utilizamos o teste-U, teste-DK e intervalos de confiança para distribuições de leis de potência.In the present work, statistical techniques are employed in the modelling of extreme events distributions, detection of current sheets, analysis of intermittent turbulence and detection of Dragon Kings in observational and simulated solar wind data. We have shown that current sheets are the principal coherent structures responsible for the presence of Kolmogorov turbulence in solar wind time series of the modulus of magnetic field, as well as being responsible for the positivity of the shape parameter, the main parameter of extreme values theory and responsible for characterizing the tails behavior of generalized Pareto and extreme values distributions. We propose a new technique for detection of current sheets and magnetic reconnections based on volatility. Additionally, we propose a mathematical proof for the objectivity of a new technique for the detection of magnetic vortices, validating its application in space plasmas. Based on the velocity field, we propose a new frame invariant eulerian technique for vortex centers detection. We identified inconsistencies in lagrangian and objective vortex detection technique based on vorticity when applied to solar plasma, for which we propose a solution. For the statistical modelling of extreme events, the classical theory of extreme events is adopted, which is based on the peaks over threshold and block maxima techniques. For the interplanetary environment simulation, 3D compressible and adiabatic MHD simulations are used with a nonhelical forcing. We were the first to successfully apply the dragon kings theory to solar wind data, finding strong evidence that magnetic reconnections belong to this special class of extreme events. 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