Magnetic configurations, reconnection and energy transfers in space plasmas

Nello spazio interplanetario, particelle cariche e campi magnetici sono continuamente soggetti a processi fisici responsabili di scambi di energia e che ne modellano le configurazioni. Un processo chiave in questo contesto è la riconnessione magnetica. La complessa dinamica che ne risulta, responsabile dell’accellerazione delle particelle e della loro entrata nella magnetosfera terrestre (il che è potenzialmente pericoloso per alcune tecnologie ed il personale che se ne occupa) costituisce il soggetto principale di questa tesi. Nella prima parte del lavoro, il focus è la struttura locale del campo magnetico. Si mette a punto una tecnica per determinare le caratteristiche locali della configurazione di campo magnetico e la si applica a dati raccolti da satellite, dimostrandone l’applicabilità e l’efficacia. Nella seconda parte del lavoro di tesi vengono studiati i trasferimenti di energia fra campo elettromagnetico e plasma in prossimità di un sito di riconnessione, con l’aiuto di una simulazione numerica. In particolare si dimostra come i diversi canali di trasferimento dell’energia sono legati statisticamente gli uni agli altri, e correlati alle caratteristiche locali del sistema. Throughout interplanetary space, plasma particles and magnetic fields play an endless game of re-shaping themselves and exchanging energy. A key process in this regard is magnetic reconnection. The complex dynamics resulting from this process is responsible for particle acceleration and entry into the Earth’s magnetosphere, potentially dangerous for people and machinery, and is the basic subject of this thesis. In the first part of the work, I focus on the local shape of magnetic configurations. To this aim, I devise a technique to retrieve relevant local characteristics of magnetic configurations, which I apply to multi-spacecraft data, demonstrating its efficacy. In the second part of the thesis I discuss how energy is exchanged among its different forms in the neighbourhood of a reconnection site using a numerical simulation. I show in particular how different energy conversions are statistically related to one another and to local features of the system.