Particle-in-cell simulations and analytical study of the processes generating radio solar bursts

Mgr. Jan Benáček, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Sluneční radiová vzplanutí s jemnými strukturami se používají v diagnostice slunečního erupčního plazmatu. Zebra struktury, které jsou jemnými strukturami radiových vzplanutí typu IV, patří mezi nejdůležitější. Zebry jsou také pozorovány v záření Jupitera a pulzaru v Krabí mlhovině. V této doktorské práci studujeme sluneční rádiové zebry z teoretického hlediska. Používáme analytické a numerické metody společně s třídimenzionálním elektromagnetickým částicovým modelem. Práce začíná přehledem slunečních rádiových vzplanutí a jejich charakteristikami. Popisujeme modely slunečních rádiových zeber a prezentujeme vylepšení částicového modelu. Studujeme různé aspekty hlavního modelu slunečních rádiových zeber, dvojnou plazmovou nestabilitu. Tento model předpokládá horké elektrony s distribuční funkcí s únikovým kuželem společně s chladnou a hustou pozaďovou plazmou. Studujeme zejména rychlost růstů energií elektrostatických vln, jejich saturační energie a frekvenční posuny maxim rychlostí růstů v závislosti na teplotě pozaďové i horké komponenty. Naše výsledky jsou porovnány s pozorováním zeber. Protože v pásmu horně-hybridních vln může být několik nestabilních typů vln současně, navrhujeme koncept integrované rychlosti růstu, která je užitečná pro srovnání s rychlostí růstu, která je počítána částicovým modelem. Naše výsledky jsou publikovány v Solar Physics, Astronomy and Astrophysics a Astrophysical Journal, viz pět našich prací v závěru této dizertace.

Abstract:

Solar radio bursts with fine structures are used in diagnostics of the solar flare plasma. The~zebra structures, that are fine structures of Type IV radio bursts, belong to the most important. The zebras are also observed in radiation from Jupiter and Crab nebula pulsar. In this doctoral thesis, we study the solar radio zebras from the theoretical point of view. We use analytical and numerical methods together with the three-dimensional electromagnetic particle-in-cell (PIC) simulations. This thesis starts with an overview of solar radio bursts and their characteristics. We describe the models of the solar radio zebras and present details of our improvement of the PIC model. We study various aspects of the main model of the solar radio zebras, the double plasma resonance instability. This model assumes a loss-cone type of distributions of the hot electron component together with a cold and dense background plasma. We mainly study the growth rates of the electrostatic waves, their saturation energies, and the frequency shifts of the growth rate peaks in dependence on the temperature of the background and the hot component. Our results are compared with zebra observations. Because in the upper-hybrid band, several types of waves can be unstable simultaneously, we propose a concept of the integrated growth rate, which is useful for comparison with the growth rate computed by the PIC model. Our results are published in Solar Physics, Astronomy and Astrophysics, and Astrophysical Journal, see our five papers at the end of this thesis.

Keywords

Slunce, Rádiové zebry, Dvojná plazmová nestabilita, Particle-in-cell, Sun, Radio zebras, Double plasma resonance

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 23. 8. 2019

Thesis defence

• Date of defence: 21. 11. 2019
• Supervisor: prof. RNDr. Marian Karlický, DrSc.
• Reader: doc. RNDr. Petr Jelínek, Ph.D., Prof. Dr. Jörg Büchner

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics / Astrophysics