La tesis doctoral de David Martínez Gómez también estudia el calentamiento del plasma debido a la fricción asociada a las colisiones entre distintas especies
La vida en la Tierra depende fundamentalmente del Sol. Además, la energía irradiada por dicho astro calienta la atmósfera terrestre y da lugar a los procesos climáticos. Por lo tanto, resulta de especial importancia entender los fenómenos que ocurren en las distintas capas del Sol.
La tesis doctoral de David Martínez Gómez, defendida en la Universidad de las Illes Balears, se centra en el estudio de la atmósfera solar, un ambiente altamente dinámico en el que se ha detectado una gran variedad de ondas e inestabilidades. La materia en esta región se encuentra en estado de plasma, y para comprender su dinámica se requiere una teoría que combine las ecuaciones que describen las propiedades y evolución de los fluidos con las de los campos eléctricos y magnéticos.
La magnetohidrodinámica (MHD) ideal es una descripción útil cuando los fenómenos de interés están asociados a frecuencias bajas. Para escalas temporales largas, las especies componentes del plasma están fuertemente acopladas y pueden ser tratadas como un fluido único. Sin embargo, para escalas temporales más cortas, el acoplamiento es más débil y las colisiones entre las distintas especies producen un desvío en las propiedades de las ondas respecto a las predichas por la MHD ideal. Consecuentemente, se necesita una teoría más compleja y precisa.
En la tesis de David Martínez se presenta una teoría multi-fluido que tiene en cuenta los efectos de las colisiones entre las diferentes especies del plasma. Tal teoría es aplicada a la investigación de una amplia variedad de capas y estructuras de la atmósfera solar, como la corona y el viento solar, que están completamente ionizados, y la cromosfera y protuberancias (condensaciones en la corona solar de material más frío y denso que el ambiente que las rodea), que se hayan parcialmente ionizadas.
Mediante simulaciones numéricas y métodos analíticos se estudia el impacto que las colisiones tienen en las propiedades de las ondas de Alfvén, de baja frecuencia, y los modos ión-ciclotrón y «whistler», de alta frecuencia. Se muestra que el atenuamiento causado por la fricción debida a las colisiones está dominado por la interacción ión-neutro a bajas frecuencias y por las colisiones de Coulomb y la difusividad magnética (causada por colisiones con electrones) a altas frecuencias.
También se ha puesto el foco en el estudio del calentamiento del plasma debido a la fricción asociada a las colisiones. Esta fricción causa la disipación de la energía cinética y magnética de las perturbaciones. Una fracción de esa energía es transformada en calor y aumenta la temperatura del fluido. En este trabajo se muestra que el plasma, en una protuberancia o en la cromosfera, es calentado mediante las colisiones entre iones y partículas neutras.
Por otra parte, también se investiga la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz, un fenómeno que aparece en presencia de flujos de cizalladura en la superficie de separación entre dos fluidos. Ejemplos de este fenómeno se pueden encontrar en la atmósfera terrestre, en forma de nubes que se retuercen sobre sí mismas. En las protuberancias de la corona solar (que están formadas por finos y largos hilos), la evolución de la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz se ve afectada por la interacción entre iones y átomos neutros. Mediante el estudio de la fase inicial de esta inestabilidad, se ha comprobado que las colisiones entre iones y neutros reducen los ritmos de crecimiento de la inestabilidad, pero no evitan por completo su aparición. La comparación de los resultados obtenidos mediante el modelo multi-fluido con observaciones realizadas por otros autores muestra que los ritmos de crecimiento de la inestabilidad calculados son compatibles con la vida media típica de los hilos de protuberancias.
La investigación incluida en esta tesis ha dado como resultado la publicación de los siguientes tres artículos en revistas internacionales con revisor indexadas en el Q1 de JCR:
- David Martínez-Gómez, Roberto Soler and Jaume Terradas. «Onset of the Kelvin-Helmholtz instability in partially ionized magnetic flux tubes». Astronomy & Astrophysics, 578, A104 (2015). DOI: 10.1051/0004-6361/201525785,
- David Martínez-Gómez, Roberto Soler and Jaume Terradas. «Multi-fluid approach to high-frequency waves in plasmas. I. Small-amplitude regime in fully ionized medium». The Astrophysical Journal, 832:101 (2016). DOI: 10.3847/0004-637X/832/2/101
- David Martínez-Gómez, Roberto Soler and Jaume Terradas. «Multi-fluid approach to high-frequency waves in plasmas. II. Small-amplitude regime in partially ionized media». The Astrophysical Journal, 837:80 (2017). DOI: 10.3847/1538-4357/aa5eab
Además, un cuarto artículo se encuentra actualmente en proceso de revisión:
- David Martínez-Gómez, Roberto Soler and Jaume Terradas. «Multi-fluid approach to high-frequency waves in plasmas. III. Nonlinear regime and plasma heating». The Astrophysical Journal. 2018.
Estos resultados también han sido dados a conocer a la comunidad científica a través de presentaciones orales en dos congresos de ámbito nacional y otros dos de ámbito internacional.
Ficha de la tesis doctoral
- Título: High-frequency waves and instabilities in multi-fluid partially ionized solar plasmas
- Autor: David Martínez Gómez
- Programa: Doctorado de Física
- Departamento: Física
- Directores: Roberto Soler Juan, Jaume Terradas Calafell
Fecha de publicación: Wed Jan 31 10:12:00 CET 2018