Kinetische schaalturbulentie in botsingsloze gemagnetiseerde plasma's: statistieken, energieoverdracht en coherente structuren

De term turbulentie wordt gebruikt om een enorme klasse van fenomenen te beschrijven die voorkomen in vloeistoffen, plasma's en andere systemen. Turbulentie kan worden gedefinieerd als een chaotisch niet-lineair proces dat betrekking heeft op de overdracht en reorganisatie van energie tussen verschillende schalen. Turbulentie wordt meestal veroorzaakt door een grootschalige drijvende kracht die het systeem van energie voorziet. Dergelijke energie wordt niet-lineair overgebracht naar steeds kleinere schalen, tot een punt waarop het uiteindelijk wordt gedissipeerd, waardoor het systeem wordt verwarmd. Deze schaal-op-schaal overdracht van energie staat bekend als de turbulente cascade. De sterke niet-lineaire koppeling tussen verschillende schalen maakt turbulentie een uiterst uitdagend probleem om te bestuderen. Het is niet overdreven om te zeggen dat turbulentie een van de belangrijkste onopgeloste problemen van de moderne natuurkunde is.

De studie van turbulentie is een actief onderzoeksgebied in de plasmafysica, aangezien plasma's alomtegenwoordig zijn in het universum en zich vaak in een turbulente toestand bevinden. Plasmaturbulentie is een proces op meerdere schaalniveaus, wat betekent dat de turbulente cascade verschillende eigenschappen vertoont in verschillende schaalbereiken. Op zeer grote schaal heeft plasmaturbulentie een vloeistofachtig gedrag, maar naarmate de cascade van energie ionen- en elektronenmicroscopische (kinetische) schalen bereikt, verandert het gedrag van het systeem drastisch. Begrijpen welke mechanismen verantwoordelijk zijn voor de dynamische overgangen in de turbulente cascade op kinetische schaal is nog steeds een open probleem en een grens van modern onderzoek in de plasmafysica.

In dit proefschrift bestuderen we de eigenschappen van turbulentie op kinetische schaal in botsingsloze gemagnetiseerde plasma's door middel van numerieke simulaties. We richten ons met name op het onderzoeken van drie hoofdaspecten van turbulentie. Het eerste aspect betreft de statistische eigenschappen van turbulentie. Ondanks zijn chaotische aard vertoont turbulentie goed gedefinieerde en reproduceerbare statistische kenmerken, zoals energiespectra en andere grootheden die verschillende eigenschappen van turbulente fluctuaties op verschillende schalen beschrijven. Het tweede aspect van plasmaturbulentie dat we onderzoeken, is de overdracht van energie tussen schalen naarmate de turbulentie zich ontwikkelt. Het idee is om het pad te volgen dat de energie volgt van grote schalen naar kinetische schalen, waarbij de verschillende bijdragen van ionen en elektronen aan de turbulente cascade en dissipatie op verschillende schalen worden gekwantificeerd. Ten slotte onderzoeken we een andere fundamentele eigenschap van plasmaturbulentie, namelijk het vermogen om coherente structuren op kinetische schaal te genereren. Deze laatste worden meestal geassocieerd met sterke stromingen, intense verhitting en hoogenergetische deeltjes, die mogelijk een rol spelen bij dissipatie op kinetische schaal.