Preferenční urychlování iontů ve slunečních erupcích

Mgr. David KRAMOLIŠ

Disertační práce

Preferential acceleration of ions in solar flares

Abstract:

We study the ion acceleration in a spontaneously fragmenting flare current sheet characterized by the presence of plasmoid cascade. The main subject of our investigation is to determine, whether and how plasmoid cascades at the intermediate scales in a fragmented current sheet of solar flare can impact an (preferential) acceleration of specific ions. The time evolution of plasmoid cascade is obtained from a high-resolution 2.5D MHD simulations with adaptive mesh refinement (AMR). The ion trajectories, energies and pitch-angles are calculated using a Vay's relativistic test particle code based on the HARHA (Half Acceleration-Rotation-Half Acceleration) method. Accelerating mechanisms for light ions are analyzed using Guiding Center Approximation (GCA). We identify the regions of most efficient ion acceleration within the current sheet, accelerator efficiency and spectra of the accelerated ions. Influence of charge-mass ratio on ion behavior is also studied and resulting ion abundances are compared with observational data. The main ion acceleration takes place in the regions with strong polarization term, which is part of the Fermi type I acceleration. Since the term is mass-dependent, heavier ions undergo preferential acceleration. The ion energy spectra, abundance enhancement factors and differential fluxes, obtained from the model, exhibit power-law profiles, which is in agreement with observed solar energetic particle events. Nonetheless, the obtained slopes for abundance enhancement factor do not match exactly the observed data. The computed slopes and profiles are also not sensitive to change in the initial plasma temperature.

Abstract:

V rámci této práce studujeme urychlování iontů ve spontánně fragmentující proudové vrstvě, která je charakterizována přítomností plazmoidní kaskády. Hlavním předmětem našeho zkoumání je určit, zda a jak mohou plazmoidní kaskády na středních škálách ve fragmentující proudové vrstvě sluneční erupce ovlivnit (preferenční) urychlování jednotlivých iontů. Časový vývoj plazmoidní kaskády je získán z 2.5D MHD simulace s vysokým rozlišením a adaptivním zjemněním sítě (AMR). Trajektorie iontů, jejich energie a úhly sklonu jsou vypočteny pomocí metody testovacích částic s využitím Vayova relativistického kódu založeného na metodě HARHA (Half Acceleration-Rotation-Half Acceleration). Mechanismy urychlování lehkých iontů jsou dále analyzovány pomocí metody GCA (Guiding Center Approximation). Stěžejní výsledkem této práce je identifikace oblastí v rámci proudové vrstvy, kde dochází k nejefektivnějšímu urychlování iontů, kvantifikace účinnosti urychlovacích procesů a naměření umělých spekter urychlených iontů. Studován je také vliv poměru náboje a hmotnosti na chování iontů a výsledné abundance iontů jsou pak srovnány s observačními daty. K hlavnímu urychlování iontů dochází v oblastech se silným polarizačním členem, který je součástí Fermiho akcelerace I. řádu. Jelikož je tento člen závislý na hmotnosti, dochází pak v rámci plazmoidní kaskády k přednostnímu urychlování těžších iontů. Energetická spektra iontů, faktory zesílení abundance iontů a diferenciální toky získané z modelu vykazují mocninné závislosti, což je v souladu s pozorovanými slunečními jevy s produkcí energetických částic (SEP - Solar Energetic Particle events). Vypočtené sklony pro faktor zesílení abundance iontů nicméně neodpovídají typickým hodnotám získaným z pozorování. U vypočtených sklonů a profilů se taktéž ukazuje, že nejsou citlivé na změnu počáteční teploty plazmatu.

Keywords

Simulace metodou testovacích částic, HARHA, Guiding Center Approximation, Magnetická rekonekce, Proudové vrstva, Sluneční erupce, Zesílení abundance

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 9. 12. 2021

Zveřejnit od: 31. 12. 2999

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: doc. RNDr. Michal Varady, Ph.D.

UNIVERZITA JANA EVANGELISTY PURKYNĚ V ÚSTÍ NAD LABEM

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Fyzika / Počítačové metody ve vědě a technice