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파동-입자 상호작용에 의한 비선형 현상에 대한 전산모사 연구

Title
파동-입자 상호작용에 의한 비선형 현상에 대한 전산모사 연구
Authors
라기철
Date Issued
2014
Publisher
포항공과대학교
Abstract
태양풍 가열 현상과 가속 현상에 관여하는 알프웬-사이클로트론 (Alfven-cyclotron 또는 Electromagnetic Ion Cyclotron) 과 랑뮤어 (Langmuir) 파의 비선형 현상, 자기폭풍에 관여하는 전류 붕괴 현상을 입자 전산모사를 이용하여 연구하였다. 입자 전산모사는 알프웬-사이클로트론 파들을 도입함으로써 세개의 파들의 상호작용에 의한 파라메트릭 불안정성 (parametric instability) 과 파동-입자 상호작용에 의한 입자 가열을 구현하였다. 그리고 단일의 전자 빔-플라즈마 불안정성에 의해 발생되는 랑뮤어 파들의 파동-입자 상호작용에 의한 비대칭 입자 가속도 구현하였다. 또한 배경 자기장에 수직한 이온 표류를 이용하여 2차원 공간에서의 표류 알프웬-사이클로트론 불안정성의 비선형 성장도 구현하였다. 전산모사 결과들은 파동-입자 상호작용에 의한 입자 가열 및 가속, 파동-파동 상호작용에 의한 파라메트릭 불안정성, 자기폭풍에 관여하는 전류 붕괴에 관련되는 비스듬히 진행하는 표류 알프웬-사이클로트론 불안정성을 설명하는 이론들과 비교하였다. 뿐만아니라, 이러한 결과들은 관측 데이터와도 비교를 하였다. 파라메트릭 불안정성과 입자 가열을 유도하기 위해 알프웬-사이클로트론 파동들을 포함한 플라즈마, 입자 가열에 관여하는 빔-플라즈마 불안정성을 발생시키는 단일의 전자 빔을 포함한 플라즈마와 비스듬히 진행하는 표류 알프웬-사이클로트론 불안정성을 일으키는 배경 자기장에 수직한 이온 표류를 포함하는 동질의 전자-이온 플라즈마를 상대론적 입자 코드를 이용하여 전산모사하였다. 태양풍 전자 가열 문제에 대해서는, 이온과 전자 가열을 동반하는 알프웬-사이클로트론과 패스트-마그네토소닉 (fast-magnetosonic) 파동의 비선형 성장을 1차원 PIC 전산모사를 이용하여 연구하였다. 전산모사는 왼쪽과 오른쪽 원편광을 가지고 있는 전자기 횡파의 스펙트럼으로 초기화하였다 (즉, 알프웬-사이클로트론과 패스트-마그네토소닉파). 파라메트릭 감쇠 과정이 알프웬-사이클로트론 파동들의 역캐스캐이드 (inverse cascade) 를 유도하고 이러한 감쇠 불안정성에 의해 이온-어쿠스틱 (ion-acoustic) 파동들이 발생하였다. 또한 비선형 감쇠 과정은 양성자의 수직 가열과 평행 냉각과 전자의 평행 가열을 동반하였다. 태양풍 전자 가속에 대해서는, 태양풍에서의 비대칭 전자 속도 분포를 발생시키는 메커니즘을 1차원 정전기 PIC 전산모사를 이용하여 연구하였다. 최근의 이론계산에 따르면 이온과 전자의 온도비율의 변화가 비선형 파동-입자 역학에 영향을 끼쳐 비대칭 분포를 발생시킨다고 하였다. 이러한 사실을 PIC 전산모사를 이용하여 확인하였을 뿐만 아니라 이론계산의 한계점을 제안하면서 약난류 이론과 PIC 전산모사와의 차이점도 발견하였다. 비대칭 전자 분포와 이온-전자 온도비율의 상호관계는 관측 연구를 위한 새롭고 유용한 개념이 될 것이다. 자기폭풍 연구에 관해서는, 2008년 1월 29일에 THEMIS 위성에 의해 관측된 전류 붕괴 현상과 관련있는 표류 알프웬-사이클로트론 불안정성의 전자기 요동 스펙트럼을 2차원 PIC (particle-in-cell) 전산모사를 이용하여 연구하였다. 그리고 이러한 전류 붕괴 현상에서 표류 알프웬-사이클로트론 불안정성의 특징이 국소적으로 크기가 큰 전자기 요동과 관련있다는 것을 보였다. 전산모사에서 이러한 표류 알프웬-사이클로트론 불안정성이 2개의 다른 영역에서 발생하였는데, 첫번째는 배경 자기장에 거의 수직으로 진행하며 상대적으로 낮은 진동수를 가지는 모드이고 두번째는 배경자기장에 거의 평행하게 진행하며 높은 진동수를 가지는 모드가 존재함을 보였고 이러한 결과는 관측결과와 이전의 이론 결과들과 잘 일치됨을 보였다. 이러한 결과는 높은 밀도와 자기장 증감과 크기가 큰 배경자기장에 수직한 반자성 전류를 포함하는 지자기권 플라즈마에 적용된다. 또한 이와 유사한 환경을 가지고 있는 전류 붕괴 지역이나 국소적 광대역 전자기 요동이 관측되는 다이폴라리제이션 (dipolarization) 영역도 우리가 연구한 표류 알프웬-사이클로트론 불안정성과 관련 있다.
Nonlinear phenomena of Alfven-cyclotron (or Electromagnetic Ion Cyclotron) and Langmuir waves associated to solar wind electron heating and acceleration, current disruption related to substorm onset are investigated by making use of PIC simulation in this dissertation. PIC simulation contains parametric instabilities due to three wave interaction, particle heating due to wave-particle interaction by imposing Alfven-cyclotron waves, asymmetric particle acceleration due to wave-particle interaction by Langmuir waves generated by single electron beam-plasma instability and nonlinear evolution of drift Alfven-cyclotron instabilities in two-dimensional space by applying cross-field ion drift. Simulation results are compared with numerical analysis from theories explaining particle heating and acceleration by wave-particle interaction, parametric instabilities due to wave-wave interaction and obliquely propagating drift Alfven-cyclotron instabilities corresponding to current disruption events associated with substorm onset. In addition to the comparison between simulation results and theories, these results are compared with observational data. The homogeneous electron-ion plasma system including imposed Alfven-cyclotron waves leading to parametric instabilities, the plasma system involving single electron beam exciting beam-plasma instability accompanying particle heating and cross-field ion drift generating obliquely propagating drift Alfven-cyclotron instabilities are simulated by making use of fully relativistic particle-in-cell code. In regard to solar wind electron heating problem, nonlinear evolution of Alfven-cyclotron and fast-magnetosonic waves accompanying ion and electron heating is investigated by means of one-dimensional particle-in-cell simulation. The simulation is initiated with a spectrum of transverse electromagnetic waves with both left- and right-hand circular polarizations (i.e., Alfven-cyclotron and fast-magnetosonic waves). It is shown that parametric decay processes lead to an inverse cascade of Alfven-cyclotron waves and the generation of ion-acoustic waves by decay instability. It is found that the nonlinear decay processes accompany small perpendicular heating and parallel cooling of the protons, and a pronounced parallel heating of the electrons for a relatively low ion-to-electron mass ratio. For solar wind electron acceleration problem, a plausible mechanism responsible for producing asymmetric electron velocity distribution functions in the solar wind is investigated by means of one-dimensional electrostatic particle-in-cell (PIC) simulation. A recent theoretical calculation suggests that the variation in the ion-to-electron temperature ratio influences the nonlinear wave-particle dynamics such that it results in the formation of asymmetric distributions. The PIC code simulation largely confirms this finding, but quantitative differences between the weak turbulence formalism and the PIC simulation are also found, suggesting the limitation of the analytical method. The inter-relationship between the asymmetric electron distribution and the ion-to-electron temperature ratio may be a new useful concept for the observation. In addition to particle heating and acceleration problem, the present thesis investigates, the electromagnetic fluctuation spectrum associated with the drift Alfven-cyclotron instability by means of a two-dimensional particle-in-cell simulation, which may be plausibly associated with a current disruption event on 29 January 2008 observed with THEMIS satellite. This current disruption event shows localized high-amplitude electromagnetic fluctuations with characteristics corresponding to the drift Alfven-cyclotron instabilities. The simulation shows that the drift Alfven-cyclotron instabilities are excited in two regimes, a relatively low frequency mode propagating in a quasi-perpendicular direction while the second high-frequency branch propagating in a predominantly parallel propagation direction, which is consistent with observations as well as earlier theories. This finding indicates that magnetospheric plasmas containing high density and magnetic field gradients and high cross-field diamagnetic currents, such as the current disruption region or recently observed dipolarization fronts where localized broadband electromagnetic fluctuations are observed, may be subject to the drift Alfven-cyclotron instabilities described in our study.
URI
http://postech.dcollection.net/jsp/common/DcLoOrgPer.jsp?sItemId=000001673723
http://oasis.postech.ac.kr/handle/2014.oak/2066
Article Type
Thesis
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