From Vlasov to STEREO: nonlinear coupling in the solar wind

Gran parte dei plasmi astrofisici, tra cui il vento solare, sono non-collisionali. In questi sistemi infatti le frequenze tipiche della dinamica del sistema sono grandi in confronto alla frequenza di collisione, e quindi questi sistemi non possono essere considerati all’equilibrio termodinamico locale. In questo contesto, i processi cinetici e/o nonlineari (interazione onda-particella e onda-onda) permettono una ridistribuzione dell’energia nel plasma. Nonostante che sia i processi cinetici che la teoria nonlineare del plasma siano stati intensivamente studiati a partire dagli anni sessanta, mancano ancora prove osservative precise che tali processi abbiano effettivamente luogo nei plasmi spaziali. Nell’ambito dei plasmi spaziali e più in particolare per quanto riguarda la dinamica elettrostatica ionica ed elettronica, questa tesi di dottorato si pone un obiettivo duplice: (i) comprendere la fisica relativa ai processi cinetici e/o nonlineari e (ii) dare prove osservative di quest’ultimi. Lo studio si basa sia su osservazioni spaziali in-situ che su simulazioni numeriche. Misure di forme d’onda del campo elettrico provengono dello strumento radio WAVES sulle sonde STEREO. Le simulazioni numeriche sono state effetuate usando un codice cinetico Vlasov-Poisson unidimensionale nel limite elettrostatico. I risultati sono i seguenti. (1) È stato sviluppato un metodo di misura e di calibrazione insitu di fluttuazioni di densità a piccola scala, usando le variazioni quasistatiche del potenziale della sonda. (2) Si è ottenuta la prima prova osservativa di effetti ponderomotrici nel vento solare (accopiando nonlinearmente la densità del plasma alle onde plasma elettroniche, dette Langmuir, di grande ampiezza), analizzando più di tre anni di osservazioni in-situ del campo elettrico e di densità. (3) La prima prova diretta del decadimento Langmuir elettrostatico (un archetipo di interazione onda-onda) è stata ottenuta associando osservazioni e simulazioni. Le forme d’onde in-situ, associate ad un evento di tipo III, permettono di osservare il carattere risonante dell’interazione sia attraverso la conservazione del momento e dell’energia, che attraverso la coerenza di fase, per mezzo di un’analisi detta di bicoerenza. Una nuova soglia per il decadimento Langmuir elettrostatico è ricavata dalle simulazioni tenendo conto della dinamica dell’interazione, convalidata dalle osservazioni. (4) Infine, le simulazioni Vlasov-Poisson mostrano che l’evoluzione della turbolenza Langmuir debole su tempi lunghi tende asintotticamente verso un regime di turbolenza forte tramite la formazione di cavitoni Langmuir. Questa tesi illustra l’importanza strategica di un approccio basato sia sulle osservazioni sia sulle simulazioni numeriche.