Efeitos cinéticos na propagação das ondas de Alfvén em um plasma empoeirado espacial

Abstract

Utilizamos um modelo derivado da teoria cinética para um plasma empoeirado, magnetizado e homogêneo a fim de realizar uma análise numérica da relação de dispersão linearizada das ondas eletromagnéticas. Os grãos de poeira são considerados imóveis e exibem carga elétrica variável devido ao processo de absorção das partículas do plasma, as quais possuem distribuições Maxwellianas de velocidades, e ao processo de fotoionização da poeira causado pela exposição à radiação eletromagnética. Os parâmetros considerados são típicos de ventos estelares de estrelas ricas em carbono. O trabalho dá ênfase às mudanças que os parâmetros da poeira provocam na propagação e amortecimento das ondas de Alfvén, já que essas ondas são responsáveis por diversos fenômenos em plasmas espaciais, incluindo processos de aquecimento e aceleração de partículas que ocorrem em ventos estelares. O estudo foi realizado para ondas de Alfvén com propagação paralela e oblíqua ao campo magnético ambiente. Os resultados mostram que a fotoionização altera significativamente a dispersão e as taxas de amortecimento dessas ondas, mesmo quando a poeira mantém carga negativa. No caso de propagação paralela, o desacoplamento entre modos de Alfvén depende do estado de carga elétrica da poeira. Já em propagação oblíqua, a radiação incidente reduz a região de não propagação e diminui as taxas absolutas de amortecimento. A análise também revelou que parâmetros como densidade de poeira, fluxo de radiação e temperatura estelar influenciam diretamente as propriedades das ondas. Estudamos ainda as mudanças provocadas nas velocidades de grupo dos dois modos. Ambos os modos apresentam diversas alterações em suas características quando variamos parâmetros relacionados à população de poeira. Além disso, o impacto de distribuições de tamanho da poeira, modeladas por uma lei de potência, foi explorado, considerando ambientes como ventos estelares de estrelas ricas em carbono e a magnetosfera terrestre. Foi observado que a parte real da frequência e as taxas de amortecimento das ondas de Alfvén podem variar significativamente dependendo do ambiente e do expoente da distribuição. Essas variações destacam o impacto da distribuição de tamanhos de poeira na dispersão das ondas em diferentes contextos espaciais. Por fim, o estudo explorou a evolução temporal do potencial elétrico de grãos de poeira e das densidades de partículas do plasma, considerando a absorção de elétrons e íons pelos grãos. Inicialmente, o modelo OML (movimento orbital limitado) foi usado, mas, para evitar a neutralização do potencial, foram adicionadas fontes e sumidouros de partículas em uma região finita. Observou-se que regiões maiores resultam em menores densidades de equilíbrio e potenciais mais negativos. Ao escrever o modelo de forma a analisar a evolução temporal das funções distribuição do plasma, notamos que para os elétrons, a densidade reduz mais em altas velocidades; enquanto para os íons, a maior variação ocorre em velocidades menores. No geral, os resultados deste trabalho indicam que a presença de poeira em plasmas espaciais tem um efeito significativo nas características das ondas de Alfvén geradas por flutuações do campo magnético ambiente. Essas descobertas podem ser úteis para uma melhor compreensão dos processos de aquecimento e fluxo de energia nesses ambientes.

We used a model derived from kinetic theory for a dusty, magnetized, and homogeneous plasma to perform a numerical analysis of the linearized dispersion relation of electromagnetic waves. The dust grains are considered immobile and exhibit variable electrical charge due to the process of plasma particle absorption, which follows Maxwellian velocity distributions, and to the photoionization process caused by exposure to electromagnetic radiation. The parameters considered are typical of stellar winds from carbon-rich stars. The work emphasizes the changes that the dust parameters induce on the propagation and damping of Alfvén waves, as these waves are responsible for several phenomena in space plasmas, including particle heating and acceleration processes occurring in stellar winds. The study was conducted for Alfvén waves propagating parallel and obliquely to the ambient magnetic field. The results show that photoionization significantly alters the dispersion and damping rates of these waves, even when the dust maintains a negative charge. In the case of parallel propagation, the decoupling between Alfvén modes depends on the electrical charge state of the dust. In oblique propagation, the incident radiation reduces the non-propagation region and decreases the absolute damping rates. The analysis also revealed that parameters such as dust density, radiation flux, and stellar temperature directly influence the wave properties. We further studied the changes induced in the group velocities of both modes. Both modes exhibit various changes in their characteristics when varying dust-related parameters. Additionally, the impact of dust size distributions, modeled by a power-law, was explored, considering environments such as stellar winds from carbon-rich stars and the Earth’s magnetosphere. It was observed that the real part of the frequency and the damping rates of Alfvén waves may vary significantly depending on the environment and the exponent of the distribution. These variations highlight the impact of the dust size distribution on wave dispersion in different spatial contexts. Finally, the study explored the temporal evolution of the electric potential of dust grains and plasma particle densities, considering the absorption of electrons and ions by the grains. Initially, the OML (orbital motion limited) model was used, but to avoid potential neutralization, particle sources and sinks were added in a finite region. It was observed that larger regions result in lower equilibrium densities and more negative potentials. When formulating the model to analyze the temporal evolution of the plasma distribution functions, we found that for electrons, the density decreases more at higher velocities, while for ions, the largest variation occurs at lower velocities. Overall, the results of this work indicate that the presence of dust in space plasmas has a significant effect on the characteristics of Alfvén waves generated by fluctuations in the ambient magnetic field. These findings can be useful for a better understanding of heating processes and energy fluxes in these environments.