Ordem e caos em plasmas magnetizados

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Faria Junior, Roberto da Trindade
Data de Publicação: 1999
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/20.500.12733/1588397
Resumo: Orientador: Paulo Hiroshi Sakanaka
id UNICAMP-30_79915c4625507a4c05267b1bd67b578a
oai_identifier_str oai::184715
network_acronym_str UNICAMP-30
network_name_str Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
repository_id_str
spelling Ordem e caos em plasmas magnetizadosAstrofísicaComportamento caótico nos sistemasFusão controladaTurbulência de plasmaOndas de plasmaMagnetoidrodinâmicaOrientador: Paulo Hiroshi SakanakaTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb WataghinResumo: 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 acopladoAbstract: The objective of this thesis is to present a clear understanding of some important nonlinear phenomena that are common in space and laboratory plasmas. Specifically,the present analytical and numerical studies have focused on the properties of electromagnetic turbulence as well as associated coherent structures and chaotic behaviors in a multi-component magnetoplasma. The emphasis is on the generation of electromagnetic waves by sheared plasma flows in a nonuniform magnetoplasma containing an equilibrium density gradient. Two scenarios are considered. First, it is studíed high-frequency (in comparison with the ion plasma and ion gyrofrequencies, but smaller than the electrongyrofrequency), long wavelength (in comparison with the electron gyroradius) electromagnetic fluctuations involving only the electron motion, the ions are considered as stationary background because on a short time-scale of our interest they do not respond to electro-magnetie disturbances. A set of nonlinear equations is then derived by employing the hydrodynamic equations with the electron fluid velocity in drift approximation, supplemented by the Ampère and Faraday laws. On the other hand, the response of the ions; in our analysis has been included for low-frequency (in comparison with the ion gyrofrequency) and long wavelength (in comparison with the ion gyroradius pi) as well as for short wavelength (<< pi) waves. The appropriate nonlinear equations for the long wavelength case are obtained by means of the two-fluid approach, while the short wavelength case involves a hybrid approach with kinetic ions. The local dispersion relations are derived by neglecting the nonlinear terms and assuming that the wavelength of the fluctuations are shorter than the scalelengths of the density and velocity gradients. Numerical analysis of the dispersion relations are performed in order to exhibit the variations of the growth rates for typical space plasma parameters. lt is found that sheared plasma flows can drive both high- and low-frequency fluctuations, even in the absence of the density gradient. Sheared plasma flow driven fluctuations acquire large amplitudes and start interacting among themselves. Such a nonlinear mode coupling provides the possibility of self-organization in the form of various types of vortical structures in a non-dissipative magnetopiasma. The formation of vortices is attributed to the vector nonlinearities that arise from the nonlinear electron/ion polarization drift and the coupling of the parallel electron fluid velocity with the perturbed sheared magnetic field. Specific profiles of the dipolar vortex, the vortex street, and counter-rotating vortices are found both analytically and numerically. The results are then applied to the Earth's ionosphere and magnetospherein order to understand the salient features of large and short scale coherent vortices that exist in association with sheared plasma flows. The theory of vortices has also been extended for a multi-component dusty plasma in which the presence of even stationary charged dust grains gives rise to a finite E x Bo current. The latter is responsible for new eigenmodes as well as contribute to a better localization of the dipolar Alfvén vortex in a multi-species plasma. The chaotic behavior of the electremagnetic turbulence has been studied by retaining the dissipative effects (viz, resistivity, viscosity, etc). lt was shown for the first time that the dynamical equations for the nonlinearly coupled electromagnetic waves can be represented in the form of Lorentz-Stenflo equations. The latter admit chaotic trajectories and strange attractors which strongly depend on the plasma parameters. The stability of the fixed points are also examinei. Finally, it was discussed the possibility of spontaneous magnetic fields in a dusty plasma with non-parallel density and temperature gradients. The magnetic fields can be maintained by vortices which are created by the baroclinic vector. In order to demonstrate this phenomena, it was investigated a seif-consistent stationary nonlinear dusty plasma equilibria by employing a kinetic description and invoking the Hamiltonian approach. lt was found profiles of the plasma number density, the flow velocity, the current density, the magnetic field, and the electric potential for parameters that are relevant for laboratory and astrophysical plasmas. Recent observations conclusively show the presence of vortices in a microgravity dusty plasma experiment, although the plasma there is strongly coupledDoutoradoFísicaDoutor em Ciências[s.n.]Sakanaka, Paulo Hiroshi, 1938-Shukla, Padma KantGalvão, Ricardo Magnus OsórioClemente, Roberto AntonioMachida, MunemasaUniversidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Instituto de Física Gleb WataghinPrograma de Pós-Graduação em FísicaUNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASFaria Junior, Roberto da Trindade19991999-03-12T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdf104 p. : il.(Broch.)https://hdl.handle.net/20.500.12733/1588397FARIA JUNIOR, Roberto da Trindade. Ordem e caos em plasmas magnetizados. 1999. 104 p. Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin, Campinas, SP. Disponível em: https://hdl.handle.net/20.500.12733/1588397. Acesso em: 2 set. 2024.https://repositorio.unicamp.br/acervo/detalhe/184715porreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)instname:Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)instacron:UNICAMPinfo:eu-repo/semantics/openAccess2019-06-10T13:10:01Zoai::184715Biblioteca Digital de Teses e DissertaçõesPUBhttp://repositorio.unicamp.br/oai/tese/oai.aspsbubd@unicamp.bropendoar:2019-06-10T13:10:01Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) - Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)false
dc.title.none.fl_str_mv Ordem e caos em plasmas magnetizados
title Ordem e caos em plasmas magnetizados
spellingShingle Ordem e caos em plasmas magnetizados
Faria Junior, Roberto da Trindade
Astrofísica
Comportamento caótico nos sistemas
Fusão controlada
Turbulência de plasma
Ondas de plasma
Magnetoidrodinâmica
title_short Ordem e caos em plasmas magnetizados
title_full Ordem e caos em plasmas magnetizados
title_fullStr Ordem e caos em plasmas magnetizados
title_full_unstemmed Ordem e caos em plasmas magnetizados
title_sort Ordem e caos em plasmas magnetizados
author Faria Junior, Roberto da Trindade
author_facet Faria Junior, Roberto da Trindade
author_role author
dc.contributor.none.fl_str_mv Sakanaka, Paulo Hiroshi, 1938-
Shukla, Padma Kant
Galvão, Ricardo Magnus Osório
Clemente, Roberto Antonio
Machida, Munemasa
Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Instituto de Física Gleb Wataghin
Programa de Pós-Graduação em Física
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
dc.contributor.author.fl_str_mv Faria Junior, Roberto da Trindade
dc.subject.por.fl_str_mv Astrofísica
Comportamento caótico nos sistemas
Fusão controlada
Turbulência de plasma
Ondas de plasma
Magnetoidrodinâmica
topic Astrofísica
Comportamento caótico nos sistemas
Fusão controlada
Turbulência de plasma
Ondas de plasma
Magnetoidrodinâmica
description Orientador: Paulo Hiroshi Sakanaka
publishDate 1999
dc.date.none.fl_str_mv 1999
1999-03-12T00:00:00Z
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
format doctoralThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.uri.fl_str_mv (Broch.)
https://hdl.handle.net/20.500.12733/1588397
FARIA JUNIOR, Roberto da Trindade. Ordem e caos em plasmas magnetizados. 1999. 104 p. Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin, Campinas, SP. Disponível em: https://hdl.handle.net/20.500.12733/1588397. Acesso em: 2 set. 2024.
identifier_str_mv (Broch.)
FARIA JUNIOR, Roberto da Trindade. Ordem e caos em plasmas magnetizados. 1999. 104 p. Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin, Campinas, SP. Disponível em: https://hdl.handle.net/20.500.12733/1588397. Acesso em: 2 set. 2024.
url https://hdl.handle.net/20.500.12733/1588397
dc.language.iso.fl_str_mv por
language por
dc.relation.none.fl_str_mv https://repositorio.unicamp.br/acervo/detalhe/184715
dc.rights.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
104 p. : il.
dc.publisher.none.fl_str_mv [s.n.]
publisher.none.fl_str_mv [s.n.]
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
instname:Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
instacron:UNICAMP
instname_str Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
instacron_str UNICAMP
institution UNICAMP
reponame_str Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
collection Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
repository.name.fl_str_mv Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) - Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
repository.mail.fl_str_mv sbubd@unicamp.br
_version_ 1809188832802766848

Registros relacionados