Scaling Laws for Asymmetric Magnetic Reconnection

Abstract

La reconexión magnética es un proceso fundamental en la física del plasma, que se produce en una amplia variedad de fenómenos como las erupciones solares, las subtormentas magnéticas y rupturas de diente de sierra presente en Tokamaks. En las últimas décadas, se ha hecho un gran esfuerzo para encontrar los modelos adecuados para describir estos procesos en los diferentes escenarios antes mencionados. Modelos clásicos teóricos como el modelo Sweet–Parker, basado en magnetohidrodinámica (MHD) de un solo fluido, solo se ocupa con condiciones simétricas. Sin embargo, hay varias circunstancias, tanto en la naturaleza y en el laboratorio, donde esta suposición no es un buen planteamiento [Phan and Paschmann, 1996, Ku and Sibeck, 1997, Lin and Forbes, 2000, Aurass et al., 2002, Inomoto et al., 2006]. Esta tesis de maestría propone una derivación de leyes de escala basada en la teoría MHD teniendo en cuenta parámetros de asimetría tanto en la dirección de entrada como de salida de la región de difusión. Las leyes de escala son derivadas desde un análisis de volumen de control para el caso de reconexión magnética estable las cuales son usadas para obtener relaciones de escala para la velocidad de salida de flujo en cada lado de la lámina de corriente y la tasa de reconexión. Se presentan relaciones de la velocidad de salida de flujo para los casos compresible e incompresible. Los resultados son consistentes con trabajos previos [Cassak and Shay, 2007, Murphy et al., 2010]

Abstract : Magnetic reconnection is a fundamental process in plasma physics, it occurs in a wide variety of phenomena such as solar flares, magnetic substorms and sawtooth crash in Tokamaks. In the last decades, great efforts have been made to find appropriate models which describe these processes in the different scenarios mentioned above. Classical theoretical models such as Sweet-Parker model, based on single-fluid magnetohydrodynamic (MHD), only deal with symmetric conditions. However, there are several circumstances, both in nature and in laboratory, where the symmetry assumption is not a good approach [Phan and Paschmann, 1996, Ku and Sibeck, 1997, Lin and Forbes, 2000, Aurass et al., 2002, Inomoto et al., 2006]. This master’s thesis proposes a derivation of scaling laws based on MHD theory taking into account asymmetric parameters in both the inflow and outflow direction of the diffusion region. Scaling laws are derived from a control volume analysis for the case of steady magnetic reconnection which is used to derive scaling relations for the outflow velocity from each side of the current sheet and the reconnection rate. Simple relationships for outflow velocity are presented for the incompressible case and the compressible case. Results are consistent with previous work [Cassak and Shay, 2007,Murphy et al., 2010]