Analytic solution for the electrostatic potential in the solar wind

Resumen

La misión Solar Orbiter intentará responder a cuatro de las cuestiones más relevantes de la actual física solar y heliofísica, entre las cuales la siguiente será de especial relevancia para el trabajo que aquí se presenta: qué impulsa el viento solar y dónde se origina el campo magnético de la corona?. De esta pregunta global, surgen otras dos más detalladas: cuáles son los mecanismos que calientan la corona y calientan y aceleran el viento solar? y cuáles son las fuentes de la turbulencia en el viento solar y cómo evoluciona esta?. Este trabajo de tesis se concentra en estas dos últimas cuestiones. Como contribución a la resolución de la primera cuestión, se propone un nuevo mecanismo de aceleración del viento solar. Inicialmente basado en los modelos exosféricos de aceleración y sus soluciones numéricas, el nuevo método toma forma y se separa de algunas de las condiciones restrictivas de los mismos. Los modelos exosféricos predicen la existencia de un potencial eléctrico en el viento solar que hace que los electrones arrastren a los protones fuera de la atracción del Sol, hasta el punto en que este potencial electrostático crea un campo eléctrico suficientemente fuerte para desligar a los protones y a los electrones de la atracción del Sol, produciendo una aceleración global del viento solar. Hasta ahora, este potencial sólo se ha encontrado utilizando métodos numéricos complejos. El nuevo método asume la existencia del potencial electrostático y basado en ciertas condiciones de contorno similares pero sensiblemente diferentes de las de los modelos exosféricos y en principios de la mecánica estadística, propone una nueva forma de encontrar el potencial. De esta manera arroja una forma analítica del potencial electrostático en función de la distancia no encontrada antes en la literatura, y de posible gran relevancia en el análisis de la aceleración del viento solar. Tanto el nuevo método propuesto como los modelos exosféricos utilizan dos funciones de distribución de velocidades para describir las poblaciones de protones y de electrones: la distribución de Maxwell y la llamada distribución Kappa. El autor de la tesis ha colaborado con otros científicos de la misión Solar Orbiter, tanto de su Centro de Operaciones en ESAC, Madrid, como de instituciones de paises miembros de la ESA que participan en la misión, en un estudio orientado a dilucidar si la parte central de la distribución de velocidad de los electrones en el viento solar está bien representada por la llamada distribución Kappa. Un reducido resumen de esta colaboración se presenta en este trabajo. Para abordar la segunda cuestión, se hace un análisis exhaustivo de la frecuencia estadística del ángulo formado por el vector del campo magnético en medidas consecutivas de datos producidos tanto por las misiones Helios 1 y 2 como Cluster, en el viento solar prístino y en la magnetosfera. Como consecuencia, se descubre que los fenómenos asociados a las fluctuaciones del viento solar a pequeña escala son debidos a la naturaleza turbulenta del propio viento solar en lugar de deberse a la existencia de tubos de flujo magnético. Los métodos y herramientas utilizados en este estudio se aplicarán sobre los datos de Solar Orbiter, contribuyendo definitivamente a la resolución de la cuestión de las fluctuaciones a pequeña escala del viento solar. Por último, se describe el formato de los datos que la misión Solar Orbiter está ya obteniendo y la manera de acceder a ellos desde el archivo público de la misión. Estos datos serán de la máxima relevancia en la resolución de las cuestiones de base de la misión y de la heliofísica en general.