Tesi di Dottorato

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Author: search.filters.author.Malara, Francesco

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    Turbulence in space plasmas: analysis of observations and theoretical mode
    (2017-11-13) Di Mare, Francesca; Carbone, Vincenzo; Malara, Francesco; Sorriso-Valvo, Luca; Rettino, Alessandro
    Turbulence represents an universal phenomenon characterizing the dynamics of different kinds of fluids, like gases, liquids, plasmas, etc., both in nature and in laboratory devices. It is responsible for the efficient transfer of energy across scales, making the connection between the macroscopic flow and the microscopic dissipation of its energy. Moreover, turbulence plays a key role in determining various phenomena. For instance, the anomalous diffusion of tracers in a flow may be controlled by the properties of turbulence, and the transport of charged particles in astrophysical or laboratory plasmas is determined by the properties of the turbulent magnetic field. Synthetic turbulence models are a useful tool that provide realistic representations of turbulence, necessary to test theoretical results, to serve as background fields in some numerical simulations, and to test analysis tools. Models of 1D and 3D synthetic turbulence previously developed still required large computational resources. A new “wavelet-based” model of synthetic turbulence, able to produce a field with tunable spectral law, intermittency and anisotropy, is presented here. The rapid algorithm introduced, based on the classic p-model of intermittent turbulence, allows to reach a broad spectral range using a modest computational effort. The model has been tested against the standard diagnostics for intermittent turbulence, all showing an excellent response. The same analysis tools have been used to study a more specific subject, of interest in space physics, i.e., the turbulence at the interface between the solar wind and the Earth’s magnetosphere, mediated by the magnetopause. The dynamics occurring at this boundary depends on various aspects as, e.g., the solar wind dynamic pressure or the direction of the Interplanetary Magnetic Field (IMF). If the IMF is directed northward the formation of a wide boundary layer at the low latitude is observed. This boundary layer is thought to be the result of the observed plasma transfer, driven by the development of the Kelvin-Helmholtz instability, originating from the velocity shear between the solar wind and the almost static near-Earth plasma. Our interest is to described these phenomena and build a collection of event related to rolled-up vortices, spatially located on the tail-flank magnetopause, previously studied by Hasegawa et al. (2006) and Lin et al. (2014). The scope is to study the properties of plasma turbulence and intermittency inside the magnetosheath, with the aim to understand the evolution of turbulence, as a result of the development of KH instability. The analysis we present, represents a complete and quantitative characterization of turbulence and associated intermittency in this region. It appears that a fluctuating behaviour during the progressive departure along the Geocentric Solar Magnetosphere (GSM) coordinate system may exist, and it is visible as a quasi-periodic modulation of the exponent. The periodicity associated with such oscillation can be estimated to be approximately 6 − 7 RE, which is consistent with the typical periodicity of the magnetosheath KH. This suggest that a kind of signature related to the development of the KH unstable modes could be present in the statistical properties of the magnetic turbulence.
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    Interaction of waves and particles with inhomogeneous structures in heliospheric plasmas
    (2015-12-18) Pucci, Francesco; Bartolino, Roberto; Malara, Francesco
    In questo lavoro vengono affrontati alcuni problemi ancora non risolti che riguardano la fisica dell’eliosfera. Nell’introduzione vengono esposti i risultati finora raggiunti nella ricerca in questo campo e presentate le tematiche, ancora oggetto di dibattito scientifico, che vengono affrontate nel lavoro. Il primo capitolo riguarda la messa a punto di un codice numerico per la risoluzione delle equazioni della magnetoidrodinamica (MHD) in configurazione 2.5 dimensionale; in particolare, sono state implementate delle condizioni al contorno che simulano l’ingresso di onde mediante moti trasversali, oppure bordi aperti, in entrambi i casi utilizzando un metodo basato sulle caratteristiche proiettate. Tale codice `e stato usato per modellizzare l’interazione tra onde e strutture di equilibrio disomogenee alla base dei “buchi coronali”, ossia quelle regioni dell’atmosfera solare da cui si origina il vento solare. Il modello ha mostrato la formazione precoce di uno spettro, con formazione di piccole scale localizzate lungo le separatrici magnetiche oppure in vicinanza dei punti neutri ad X, ove ha luogo un fenomeno di riconnessione magnetica alternata. Il secondo capitolo `e dedicato allo studio della generazione di Kinetic Alfv´en Waves a seguito della propagazione di onde di Alfv´en in mezzi disomogenei. Tale lavoro `e stato svolto sia tramite l’impiego di simulazioni Hall-MHD, sia di simulazioni cinetiche di tipo Vlasov-ibrido; queste ultime hanno permesso di evidenziare la formazione di strutture non-termiche nella funzione di distribuzione degli ioni, come anisotropie di temperatura e fasci di particelle accelerate. Nel terzo capitolo viene affrontato il problema della accelerazione di particelle in turbolenza. Attraverso simulazioni di tipo “test particle” viene studiato il processo di accelerazione di particelle in una turbolenza 3D ottenuta in approssimazione di MHD ridotta. I risultati prelimanari mostrano una prevalenza di accelerazione nella direzione del campo magnetico medio e una dipendenza dell’accelerazione dal numero di Reynolds del sistema fisico considerato. Il quarto capitolo rigurda il problema del trasporto di particelle in turbolenza MHD. Utilizzando un modello di turbolenza sintetica, `e stato condotto uno studio parametrico che ha evidenziato come i coefficienti di difdiffusione parallelo e perpendicolare al campo magnetico medio dipendono da parametri quali la lunghezza dello spettro, l’ampiezza delle fluttuazioni e il livello di intermittenza. I risultati ottenuti trovano applicazione a numerosi problemi riguardanti la diffusione di particelle energetiche nell’eliosfera. Infine, nelle conclusioni vengono riassunti brevemente i risultati ottenuti e presentati i possibili sviluppi delle ricerche effettuate.