Marcelo Camargo de Juli – IAG/USP

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1 Marcelo Camargo de Juli – IAG/USP
IV-WORKSHOP NOVA FÍSICA NO ESPAÇO 20 a 25 de Fevereiro de 2005, Campos do Jordão - SP ALFVÉN WAVES PROPAGATION IN A DUSTY PLASMA Marcelo Camargo de Juli – IAG/USP Colaboradores: Vera Jatenco Silva Pereira - IAG/USP Ruth de Souza Schneider - IF/UFRGS Luiz Fernando Ziebell - IF/UFRGS (01/ )

2 I- Plasma Empoeirado Gás totalmente ou parcialmente ionizado, de temperatura relativamente baixa. Constituído por elétrons, íons e partículas dispersas de material sólido, dielétrico ou condutor, extremamente massivas (md~ mp) e carregadas (qd~103e-104e). A carga elétrica das partículas de poeira depende das condições do plasma ambiente, do tamanho e da composição do grão, podendo ser positiva ou negativa. Os grãos de poeira possuem um distribuição de tamanho e diferentes formas.

3 POEIRA

4 Plasmas Empoeirados no Espaço
Anéis Planetários Cometas Nuvens Moleculares Magnetosfera dos Planetas Jovianos Região de Formação Estelar (Região HII) Outros,... Voyager 2 Nov/1980 Cassini-Huygens Jul/2004 Spokes no Anel-B de Saturno

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6 Plasmas Empoeirados em Laboratório
Descarga de Corrente Contínua (DC) e de Rádio freqüência Reatores de plasmas de fusão Dispositivos de processamento a plasma (aplicações industriais dos plasmas), Outros,.... Partícula de poeira coletada após a operação do TEXTOR-94: Uma grande esfera de ferro mostrando uma textura superficial Regular.

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9 II- O Modelo Plasma homogêneo com grãos de poeira esféricos de raio constante a e carga elétrica varíavel qd. Campo magnético externo homogêneo, B0. O processo de carregamento das partículas de poeira é a captura de elétrons e íons do plasma. Seção de choque, para o processo de carregamento das partículas de poeira, derivada da teoria OML (orbital motion limited theory). Os parâmetros são tais que a << G, onde G = (/ 2)1/2 rLe e rLe é o raio de Larmor dos elétrons. Partículas de poeira imóveis (>> d ). Este modelo exclui os modos associados a dinâmica das partículas de poeira.

10 III- Propagação Paralela a B0 e Função Distribuição Maxwelliana

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12 IV- Relação de Dispersão para as Ondas de Alfvén

13 Modelamento A freqüência de colisão de carregamento é modelada por

14 - Forma Adimensional

15 -Relação de Dispersão Expandida
Para o caso sem poeira:

16 V- Análise Numérica FIGURA-1 B0 = 1.0 x 10- 4 T e = 0.0
Ti= 1.0 x 104 K ni0= 1.0 x 109 cm- 3 a = 1.0 x cm Zi = 1.0 mi = mp Te = Ti e = 0.0 e = x 10- 6 e = 2.50 x 10- 6 e = 3.75 x 10- 6 e = 5.0 x 10- 6 Duas raízes obtidas usando s = 1 -> (1, a) e (1, b) Duas raízes obtidas usando s = - 1 -> (-1, a) e (-1, b)

17 2.b- Parte imaginária das raízes (1,b) e (-1,b)
FIGURA-2 2.a- Parte imaginária das raízes (1,a) e (-1,a) 2.b- Parte imaginária das raízes (1,b) e (-1,b) B0 = 1.0 x T Ti= 1.0 x 104 K ni0= 1.0 x 109 cm- 3 a = 1.0 x cm Zi = 1.0 mi = mp Te = Ti a-> e = 0.0 b-> e = x 10- 6 c-> e = 2.50 x 10- 6 d-> e = 3.75 x 10- 6 e-> e = 5.0 x 10- 6

18 FIGURA-3 3.b- Parte real para q = 0.1 3.a- Parte real para q = 0.05
3.c- Parte real para q = 0.15

19 FIGURA-4 4.a- Parte imaginária para q = 0.05
4.b- Parte imaginária para q = 0.1 4.c- Parte imaginária para q = 0.15

20 FIGURA-5 5.a- Parte real para Ti = 0.2 x 104 K 5.b- Parte real para Ti = 5.0 x 104 K q = 0.1 s = +1,-1 Te = Ti

21 FIGURA-6 6.a- Parte imaginária para Ti = 0.2 x 104 K 6.b- Parte imaginária para Ti = 5.0 x 104 K q = 0.1 s = +1,-1 Te = Ti

22 -Sem variação da carga elétrica
FIGURA-7 B0 = 1.0 x10- 4 T Ti= 1.0 x 104 K ni0= 1.0 x 109 cm- 3 a = 1.0 x cm Zi = 1.0 mi = mp Te = Ti e = 0.0 e = x 10- 5 e = 2.50 x 10- 5 e = 3.75 x 10- 5 e = 5.0 x 10- 5 -Sem variação da carga elétrica Duas raízes obtidas usando s = 1 -> (1, a) e (1, b) Duas raízes obtidas usando s = - 1 -> (-1, a) e (-1, b)

23 -Sem variação da carga elétrica
FIGURA-8 B0 = 1.0 x10- 4 T Ti= 1.0 x 104 K ni0= 1.0 x 109 cm- 3 a = 1.0 x cm Zi = 1.0 mi = mp Te = Ti e = 0.0 e = x 10- 5 e = 2.50 x 10- 5 e = 3.75 x 10- 5 e = 5.0 x 10- 5 -Sem variação da carga elétrica

24 VI- Conclusões - Na ausência de Partículas de Poeira
Para freqüências mais altas, a relação de dispersão descreve dois modos diferentes: as Ondas de Whistler e as Ondas Circularmente Porlarizadas. Para freqüências bem abaixo da freqüência de ciclotron de ions, estes dois modos colapsam para um só, formando o ramo das ondas de Alfvén. Na Presença de Partículas de Poeira com Carga Elétrica Variável Separação dos dois modos, mesmo para freqüências bem abaixo da freqüência de ciclotron de ions. Novo mecanismo de amortecimento das Ondas de Alfvén associado a variação da carga elétrica das partículas de poeira. Para grandes comprimentos de onda (pequenos valores de q) , o novo amortecimento pode superar completamente o amortecimento de Landau. Acoplamento de modos, no ramo das ondas circularmente polarizadas, entre as ondas propagando-se em direções opostas.

25 Na Presença de Partículas de Poeira com Carga Elétrica Constante
Dependência na densidade de poeira: - Baixa densidade-> O amortecimento dos dois modos aumenta de forma aproximadamente linear com a densidade de poeira. -Densidades mais elevadas-> As ondas do ramo das ondas circularmente polarizadas possuem uma taxa de amortecimento decrescente com a densidade de poeira. As ondas do ramo Whistler possuem uma taxa de amortecimento crescente com a densidade de poeira. Na Presença de Partículas de Poeira com Carga Elétrica Constante Um amortecimento bem menor das Ondas de Alfvén, em relação ao caso onde existe a variação da carga elétrica das partículas de poeira. Este amortecimento é do tipo Landau.