IV Congresso Italiano di Fisica del Plasma Firenze, 12-13 Gennaio 2004 Francesco Valentini...

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IV Congresso Ita liano di Fisica del Plasma Firenze, 12-13 Gennaio 20 04 Francesco Valentini Dipartimento di Fisica, Università della Calabria Rende (CS) – Italy [email protected] Nonlinear wave-particle interaction in collisionless plasmas: unmagnetized and magnetized case Francesco Valentini Francesco Valentini ipartimento di Fisica, ipartimento di Fisica, niversità della Calabria niversità della Calabria n collaboration with: . Veltri, V. Carbone, A. Mangeney
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IV Congresso Italiano di Fisica del Plasma

Firenze, 12-13 Gennaio 2004

Francesco ValentiniDipartimento di Fisica, Università della Calabria

Rende (CS) – [email protected]

Nonlinear wave-particle interaction in collisionless plasmas: unmagnetized and

magnetized case

Francesco Valentini Francesco Valentini Dipartimento di Fisica, Dipartimento di Fisica,

Università della CalabriaUniversità della Calabria

In collaboration with:

P. Veltri, V. Carbone, A. Mangeney

IV Congresso Italiano di Fisica del Plasma

Firenze, 12-13 Gennaio 2004

Francesco Valentini Francesco Valentini Dipartimento di Fisica, Dipartimento di Fisica,

Università della CalabriaUniversità della Calabria Outline

• Nonlinear unmagnetized case: Landau damping saturation, asymptotic behavior of the electrostatic oscillations

• Numerical simulations versus O’Neil theory and Isichenko analytical results

• Particle dynamics: phase space flights and Lyapunov exponents of the phase space trajectories

• Magnetized case: trapping oscillation and cyclotron motion

• Velocity space evolution of the distribution function and isolated electrostatic structures

• Conclusions

IV Congresso Italiano di Fisica del Plasma

Firenze, 12-13 Gennaio 2004

)2/exp(2

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)]cos(1)[()0,,(

22thM

M

vvvf

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Dx

Dx

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A

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2.3

5.41

05.0

4.02

5.15

1

Francesco Valentini Francesco Valentini Dipartimento di Fisica, Dipartimento di Fisica,

Università della CalabriaUniversità della CalabriaUnmagnetized case: Vlasov-Poisson 1D-1V

th

D

pe

v

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1

Initial conditions

Temporal evolution of the electric field

Envelope oscillation: T=100

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0

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E

v

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x

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t

f

IV Congresso Italiano di Fisica del Plasma

Firenze, 12-13 Gennaio 2004

1A

Francesco Valentini Francesco Valentini Dipartimento di Fisica, Dipartimento di Fisica,

Università della CalabriaUniversità della Calabria

In nonlinear regime, the In nonlinear regime, the damping rate of the wave starts damping rate of the wave starts oscillating about zero on the oscillating about zero on the trapping time scaletrapping time scale with a with a decreasing amplitudedecreasing amplitude..

O’Neil theory

Isichenko conjecture Asymptotic algebraic Asymptotic algebraic dampingdamping law: the motion in the potential law: the motion in the potential well is not simply oscillatory-well is not simply oscillatory-likelike

O’Neil theory (1965) and Isichenko results (1996)

2A

Escaped particle

Trapped particle

IV Congresso Italiano di Fisica del Plasma

Firenze, 12-13 Gennaio 2004

Lagrangian study of the phase space trajectories

m

txeE

dt

dv

vdt

dx

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We integrate the motion equations for 500-4000 test We integrate the motion equations for 500-4000 test particles:particles:

The electric field is evaluated The electric field is evaluated by solving numerically the by solving numerically the Vlasov-Poisson system of Vlasov-Poisson system of equationsequations

Phase space trajectoriesPhase space trajectories

Lyapunov exponentsLyapunov exponents

Francesco Valentini Francesco Valentini Dipartimento di Fisica, Dipartimento di Fisica,

Università della CalabriaUniversità della Calabria

The system dynamics is followed up to

11200 pet

Poincaré sectionsPoincaré sections

IV Congresso Italiano di Fisica del Plasma

Firenze, 12-13 Gennaio 2004

Phase space flights

We observe two kinds We observe two kinds of trajectories in the of trajectories in the resonant region: resonant region:

A particle trapped A particle trapped in the potential in the potential wellwell

A particle which A particle which escapes from escapes from the potential the potential wellwell

Phase space flight

Francesco Valentini Francesco Valentini Dipartimento di Fisica, Dipartimento di Fisica,

Università della CalabriaUniversità della Calabria

IV Congresso Italiano di Fisica del Plasma

Firenze, 12-13 Gennaio 2004

Francesco Valentini Francesco Valentini Dipartimento di Fisica, Dipartimento di Fisica,

Università della CalabriaUniversità della Calabria Poincaré sections and Lyapunov exponents

IV Congresso Italiano di Fisica del Plasma

Firenze, 12-13 Gennaio 2004

Statistical study of the phase space flights

Two significant peaks Two significant peaks are clearly visible in the are clearly visible in the spatial and in the spatial and in the temporal histogram.temporal histogram.

The phase space flights The phase space flights are of limited extent are of limited extent and are not able to and are not able to dissipate the energy of dissipate the energy of the wavethe wave

The second peak The second peak is around is around t=100t=100

Trapped particles Re-trappedparticles

Francesco Valentini Francesco Valentini Dipartimento di Fisica, Dipartimento di Fisica,

Università della CalabriaUniversità della Calabria

IV Congresso Italiano di Fisica del Plasma

Firenze, 12-13 Gennaio 2004

Francesco Valentini Francesco Valentini Dipartimento di Fisica, Dipartimento di Fisica,

Università della CalabriaUniversità della CalabriaPhysical interpretation of the envelope oscillation

IV Congresso Italiano di Fisica del Plasma

Firenze, 12-13 Gennaio 2004

Magnetized case: Vlasov-Poisson (1D-2V)

1),,(

0])([1

])([1

0

ddvvxfxE

fEv

fEvvv

fB

xf

vtf

x

vx

The cylindrical geometry is adopted in the velocity space in order to describe the rotation of the particles, around the direction of the magnetic field

x

y

yx

v

v

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arctan

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Francesco Valentini Francesco Valentini Dipartimento di Fisica, Dipartimento di Fisica,

Università della CalabriaUniversità della Calabria

yyxx

x

z

vv

k

B

eev

ek

eB

0

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Firenze, 12-13 Gennaio 2004

Linear analysis: Sukhorukov and Stubbe (1997)

tevk

ntn rt

p

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i

cos21)(2

22

0

B

t2

)cos(2)(222)8/3(

2

22

0

th

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p

th kvevk

ntn th

Using the Landau approach, in the approximation of large wave length, they obtained:

for

B

t2

forB

t 2

At large time the oscillations are completely undamped (the results are in agreement with Baldwin and Rowlands (1966))

Francesco Valentini Francesco Valentini Dipartimento di Fisica, Dipartimento di Fisica,

Università della CalabriaUniversità della Calabria

K=0.4, B=0.04, 0.06, 0.1 K=1, B=0.25

IV Congresso Italiano di Fisica del Plasma

Firenze, 12-13 Gennaio 2004

BT Trapping time versus cyclotron period

Francesco Valentini Francesco Valentini Dipartimento di Fisica, Dipartimento di Fisica,

Università della CalabriaUniversità della Calabria Trapping oscillation and cyclotron motion

y

XWavelenght

Larmor radiusWave-particle interaction

No Wave-particle interaction

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1

1

1

0

A

B

TB

IV Congresso Italiano di Fisica del Plasma

Firenze, 12-13 Gennaio 2004

Weak magnetic field

00.00 B

1max 650 pet

Francesco Valentini Francesco Valentini Dipartimento di Fisica, Dipartimento di Fisica,

Università della CalabriaUniversità della Calabria

550 10610 B

th

Dx

Dx

vvA

A

Lk

L

2.3

8.51

03.0

4.02

5.15

1

IV Congresso Italiano di Fisica del Plasma

Firenze, 12-13 Gennaio 2004

Stronger and stronger magnetic field

04.118.00 B Strong magnetic field: UNDAMPED OSCILLATIONS

DAMPED OSCILLATIONS

ISOLATED ELECTROSTATIC STRUCTURES

Francesco Valentini Francesco Valentini Dipartimento di Fisica, Dipartimento di Fisica,

Università della CalabriaUniversità della Calabria

006.0001.00 B

17.003.00 B

IV Congresso Italiano di Fisica del Plasma

Firenze, 12-13 Gennaio 2004

Francesco Valentini Francesco Valentini Dipartimento di Fisica, Dipartimento di Fisica,

Università della CalabriaUniversità della Calabria Electrostatic structures in the solar wind

DD 5010 D 5.15

IV Congresso Italiano di Fisica del Plasma

Firenze, 12-13 Gennaio 2004

The introduction of an external uniform magnetic field strongly modifies the wave-particle interaction. From our simulations the ratio between the trapping time and the cyclotron period seems to determine the evolution of the electrostatic oscillations

Unexpected damped oscillations and isolated electrostatic structures appear for intermediate values of the external field, as a result of the competition between the trapping motion and the magnetic effect

Francesco Valentini Francesco Valentini Dipartimento di Fisica, Dipartimento di Fisica,

Università della CalabriaUniversità della Calabria Conclusions

Nonlinear wave-particle interaction is analyzed using a lagrangian approach. Statistical analysis of the particle phase space trajectories allows us to conclude that there exists a zone, at the border of the resonant region, in which the system dynamics becomes chaotic.

Resonant particles can escape from the potential well and perform flights in the phase space of limited extent, whose characteristic length is strictly related to the long time behavior of the solution