Resonant absorption of the kink mode in a coronal plasma slab via 2D hybrid-PIC simulations: multifluid and kinetic descriptions.
Date
2026
Authors
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Publisher
Universidad de Concepción
Abstract
We investigate the resonant absorption kink oscillations in a plasma slab with linearly inhomogeneous particle densities. Different thicknesses of the layers and angles of the background magnetic field to the plane of the slab are studied via 2D−3V PIChybrid simulations. We identify the resonant absorption of the large-scale mode in the inhomogeneous layers and compare its damping rate with a single fluid, linear MHD estimation. Scales in the order of the proton inertial length are achieved in most of the simulated cases, particularly in the case of thinner layers and for moderately magnetized slabs. Quasi-perpendicular fluctuations consistent with Kinetic Alfv´en Waves (KAWs) are generated at the layers only when resonant absorption occurs. The KAWs interact non-linearly and generate a parallel electric field, which subsequently produces density structures and accelerates protons. This causes strong heating and flat-topped distribution. We derive an analytical estimate for this parallel field that reproduces the most relevant signals of the dispersion relations during and after resonant absorption. The transverse particle dynamics are driven by the cross-field drift, causing the transverse temperature to oscillate and grow exponentially due to small-scale fluctuations. Therefore, the proton distribution functions are largely shaped non-resonantly by the KAW activity.
Investigamos la absorción resonante de oscilaciones kink en un plasma de protones tipo lámina con densidades de partícula linearmente inhomogéneas. Se estudian diferentes grosores de capas y ángulos del campo magnético de fondo con respecto al plano de la simulación por medio de simulaciones 2D−3V PIC-híbridas. Identificamos la absorción resonante del modo de escalas más grandes en las capas inhomogéneas y comparamos su tasa de amortiguamiento con una estimación de teoría MHD de un sólo fluido. Las fluctuaciones alcanzan escalas en el orden de la longitud inercial del protón en la mayoría de los casos simulados. Particularmente, en el caso de capas más delgadas y para slabs moderadamente magnetizados. Sólo cuando la absorción resonante ocurre, se generan fluctuaciones cuasi-perpendiculares en las capas, consistentes con Ondas de Alfvén Cinéticas (KAWs). Las KAWs interactúan de forma no-lineal y generan un campo eléctrico paralelo, que subsecuentemente genera estructuras en densidad y acelera protones. Esto causa fuerte calentamiento y distribuciones tipo flat-top. Derivamos una estimación analítica para este campo paralelo que reproduce las señales más relevantes de la relación de dispersión durante y después de la absorción resonante. El drift E × B domina la dinámica transversal de partícula. Esto causa que la temperatura transversal oscile y crezca exponencialmente por fluctuaciones de escalas pequeñas. Por lo tanto, la dinámica de las KAWs deforma de manera importante la función de distribución de los protones por medio de interacciones no-resonanates.
Investigamos la absorción resonante de oscilaciones kink en un plasma de protones tipo lámina con densidades de partícula linearmente inhomogéneas. Se estudian diferentes grosores de capas y ángulos del campo magnético de fondo con respecto al plano de la simulación por medio de simulaciones 2D−3V PIC-híbridas. Identificamos la absorción resonante del modo de escalas más grandes en las capas inhomogéneas y comparamos su tasa de amortiguamiento con una estimación de teoría MHD de un sólo fluido. Las fluctuaciones alcanzan escalas en el orden de la longitud inercial del protón en la mayoría de los casos simulados. Particularmente, en el caso de capas más delgadas y para slabs moderadamente magnetizados. Sólo cuando la absorción resonante ocurre, se generan fluctuaciones cuasi-perpendiculares en las capas, consistentes con Ondas de Alfvén Cinéticas (KAWs). Las KAWs interactúan de forma no-lineal y generan un campo eléctrico paralelo, que subsecuentemente genera estructuras en densidad y acelera protones. Esto causa fuerte calentamiento y distribuciones tipo flat-top. Derivamos una estimación analítica para este campo paralelo que reproduce las señales más relevantes de la relación de dispersión durante y después de la absorción resonante. El drift E × B domina la dinámica transversal de partícula. Esto causa que la temperatura transversal oscile y crezca exponencialmente por fluctuaciones de escalas pequeñas. Por lo tanto, la dinámica de las KAWs deforma de manera importante la función de distribución de los protones por medio de interacciones no-resonanates.
Description
Tesis presentada para optar al grado de Doctor/a en Ciencias Físicas.
Keywords
Absorption, Protons, Electric fields