Tesi di Dottorato

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    Waves and turbulence in plasmas: from MHD to vlasov and beyond
    (2017-06-13) Pezzi, Oreste; Carbone, Vincenzo; Valentini, Francesco
    This thesis fo uses on the physi al onne tion of large, uid s ales with small, kineti wavelenghts and on the introdu tion of ollisional e e ts in weakly- ollisional plasmas. In the rst part, the Mo att & Parker problem, namely the ollision of two ounter-propagating Alfvéni wave pa kets, has been revisited by means of magnetohydrodynami s (MHD), Hall MHD and hybrid kineti simula- tions. The goal of this study was to extend the Mo att & Parker problem to the realm of kineti physi s and show that, when introdu ing more om- plex physi al ingredients, the dynami s is quite di erent with respe t to the pure ideal MHD ase. When the energy is transferred towards kineti s ales through nonlinear oupling me hanisms, the distribution fun tion is strongly perturbed and departs from lo al thermodynami al equilibrium. The wave pa kets intera tion has been also hara terized in terms of strong and weak turbulen e, showing that features explained in terms of both kinds of turbu- len e theories oexist. In the se ond part, a spe ial attention has been devoted to weakly olli- sional plasma systems, in whi h kineti e e ts and parti le ollisions oexist and ompete in shaping the parti le velo ity distribution. By means of nu- meri al simulations of relaxation towards equilibrium in presen e of the full Landau ollisional integral, it has been pointed out that ollisionality an be e e tively enhan ed by the presen e of ne velo ity stru tures in the parti le distribution fun tion. However, due to the high omputational ost of the Landau integral, sim- pli ed ollisional operators have been employed to simulate self- onsistently the dynami s of weakly- ollisional plasmas. In parti ular, the Dougherty operator has been employed in 1D 3V phase spa e on guration (1D in physi al spa e, 3D in velo ity spa e) to address the role of ele tron-ele tron ollisions in the nonlinear regime of ele trostati waves propagation. Finally, with the aim of simulating realisti physi al onditions in experiments with plasmas trapped in longitudinal ma hines, numeri al simulations in redu ed 1D 1V phase spa e have been run to reprodu e the pro ess of wave laun hing in real plasma devi es. The ultimate goal of this work was to support the idea that the om- petition between kineti e e ts, whi h tend to drive the system away from equilibrium, and ollisions, whi h work to thermalize the plasma, ould be the physi al ingredient underlying the me hanism of parti le heating in weakly ollisional systems, su h as the solar wind.
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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.