Procesos disipativos rápidos en magnetohidrodinámica

• Autores: Bender, Laurence Eugene
• Año de publicación: 1997
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Gratton, Fausto Tulio Livio
• Materia: MAGNETOHIDRODINAMICA; LAMINAS DE CORRIENTE; ANIQUILACION MAGNETICA; ESTABILIDAD DE LAMINAS DE CORRIENTE; RECONEXION MAGNETICA; MAGNETOHYDRODYNAMICS; CURRENT SHEETS; MAGNETIC ANNIHILATION; STABILITY OF CURRENT SHEETS; MAGNETIC RECONNECTION
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

Se investiga en forma analítica y numérica la evolución temporal de láminas de corriente en configuraciones de aniquilación magnética forzadas por un flujo con un punto de estancamiento. Se muestran las importantes consecuencias físicas de la etapa de formación de la lámina de corriente, que se puede originar a partir de una "semilla" inicial de campo magnético o mediante la inyección continua de flujo magnético. La convección y amplificación del campo magnético en un flujo de estancamiento genera una disipación Joule muy intensa dentro de la lámina de corriente en escalas de tiempo hidrodinámicas. Estos efectos pueden dar lugar a la aniquilación rápida del campo magnético, a la formación de estructuras disipativas estacionarias o a soluciones que crecen indefinidamente con el tiempo, dependiendo del balance entre la disipación y el ingreso de flujo magnético. Los elementos básicos del proceso de amplificación de la energía magnética se examinan usando argumentos físicos sencillos basados en consideraciones de orden de magnitud. Se obtienen soluciones analíticas dependientes del tiempo que describen la evolución del campo magnético en flujos con geometría plana. Suponiendo condiciones iniciales y de contorno generales para la componente de campo magnético contenida en el plano del movimiento, se demuestra que la capa en donde el campo magnético cambia de signo tiende a desaparecer durante la formación de la lámina de corriente. Por otra parte, la componente de campo magnético normal al flujo de estancamiento siempre se extingue rápidamente. En consecuencia, las configuraciones estacionarias de campo magnético con cambio de signo que se consideran habitualmente en los estudios de procesos de reconexión magnética e inestabilidades resistivas, resultan ser casos excepcionales en lugar de estructuras magnéticas genéricas. Se obtienen soluciones autosimilares que describen la amplificación y el decaimiento del campo magnético en flujos planos y axialmente simétricos. En flujos con un punto de estancamiento tridimensional las láminas de corriente se aniquilan completamente a menos que sean sostenidas por una inyección continua de energía magnética. Se consideran aplicaciones de estos modelos a la magnetósfera terrestre, a la formación de estructuras disipativas en el Plasma Focus y al calentamiento de la corona solar. Se estudia la influencia del flujo de estancamiento, que tiende a oponerse a la permanencia de configuraciones con campo magnético reconectado, sobre la estabilidad de la lámina de corriente. Simulaciones numéricas de reconexión magnética en dos dimensiones muestran la formación y consolidación de la lámina de corriente. El incremento de la conductividad provocado por el aumento de la temperatura en la lámina de corriente puede acelerar los procesos de amplificación y decaimiento del campo magnético. Estos efectos térmicos se ilustran mediante soluciones numéricas. Los límites del modelo incompresible debidos al calentamiento y a las variaciones de densidad se discuten brevemente. En el último capítulo se estudia en forma numérica la evolución de láminas de corriente en flujos compresibles.
The time evolution of current sheets under the influence of driven stagnation point flows is studied. It is shown that significant physical processes occur during the formation of the current sheet, originated from a sparse magnetic seed field or from an external continuous injection of magnetic flux. The advection and amplification of the magnetic field at a stagnation flow can give rise to large amounts of Joule dissipation over hydrodynamic time scales. These effects may lead to an accelerated annihilation of the magnetic field, or to steady state dissipative layers, depending on the balance between the incoming magnetic flux and the dissipation rate. The basic elements of the flow enhanced dissipation mechanism are discussed using order of magnitude considerations. Analytic time dependent solutions that describe the evolution of the magnetic field are obtained for planar flows. Starting from generic initial and boundary conditions for the magnetic field component lying on the plane of the flow, it is shown that the sublayer in which a change of sign of the magnetic field occurs tends to vanish in a short time during the formation of the current sheet. On the other hand, the magnetic field component normal to the flow plane is always rapidly extinguished. Thus, configurations commonly considered as models for steady state reconnection or tearing instability studies, are exceptional cases rather than generic magnetic structures. Self similar solutions that describe the amplification and decay of the magnetic field for planar and axial-symmetric flows are also obtained. In three dimensional stagnation point flows, current sheets that are not sustained by a continuous injection of magnetic energy are completely annihilated in a few hydrodynamic times. Several applications, including coronal heating, the dayside magnetospheric stagnation point, and the formation of hot spots in the Plasma Focus experiments, are discussed. The influence of stagnation flows on the stability of these dissipative structures is studied. These flows tend to oppose the permanence of a reconnected configuration. Numerical simulations of two-dimensional magnetic reconnection show the build up and consolidation of the current sheet. Thermal effects due to the rise of temperature in the current sheath and the resulting conductivity increment, enhance the amplification and extinction processes. These effects are illustrated with numerical solution examples. The heating and compressibility limits of the model are briefly outlined. Finally, the effect of density variations during the evolution of current sheets in compressible stagnation point flows is also studied numerically.
Fil: Bender, Laurence Eugene. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.