Modelling of ion heating by Alfvén waves during magnetic reconnection phenomena in RFP configuration

This thesis deals with the ion-heating by low-frequency electromagnetic (e.m.) waves produced in a magnetic reconnection event. During magnetic reconnection events a fraction of the magnetic energy is converted in kinetic energy of the particles. Despite the study of several heating mechanisms that can contribute to the particle energization, the full mixture of mechanisms operating are still an argument of debate. The ion heating by low-frequency waves is one of the most interesting mechanisms because it could be applied to many types of plasmas, from astronomical to laboratory ones. In this thesis, we present a modelling of ion heating due to the interaction with a spectrum of Alfvén waves. The Alfvén waves are the lowest frequency e.m. waves that can propagate inside a magnetized plasma. In this thesis, these waves are computed as produced at magnetic reconnection event simulated in 3D nonlinear MHD code. This heating model is based on the hamiltonian formulation of the dynamics of the test-particle. The ion heating will be studied in several different cases, varying the characteristics of the Alfvén waves, such as the amplitude and the frequency. The duration of the interaction and the mass of the test-particle will be also an argument of discussion. The most interesting result is connected to the heating given by a broadband spectrum of the magnetic modes excited during a reconnection event in a RFP plasma. The work in this thesis is promising in showing a possible contribution of Alfvén waves to ion heating, comparable with the experimental results.

Questa tesi tratta il riscaldamento ionico da onde elettromagnetiche a bassa frequenza prodotte durante un evento di riconnessione magnetica. Durante questi eventi, parte dell'energia magnetica è convertita in energia cinetica delle particelle. Nonostante lo studio di molti meccanismi di riscaldamento che possono contribuire all'energizzazione delle particelle, l'insieme completo dei meccanismi agenti non è ancora ben definito. Il riscaldamento ionico da onde a bassa frequenza è uno dei casi più interessanti, perchè può essere applicato a diversi tipi di plasmi, da quelli astronomici a quelli di laboratorio. In questa tesi, vi presentiamo un modello di riscaldamento ionico dovuto all'interazione con uno spettro di onde di Alfvén. Queste onde sono le onde elettromagnetiche con più bassa frequenza che possono propagarsi in un plasma magnetizzato. In questa tesi, le onde sono state calcolate come prodotte da un evento di riconnessione magnetica simulato da un codice 3D MHD non lineare. Questo modello di riscaldamento si basa sulla formulazione Hamiltoniana della dinamica della particella test. Il riscaldamento ionico sarà studiato in diversi casi, variando le caratteristiche delle onde di Alfvén, come l'ampiezza e la frequenza. La durata dell'interazione onda-particella e la massa della particella test saranno altri casi discussi. Il risultato più interessante riguarda il riscaldamento fornito da un ampio spettro di modi magnetici eccitati durante un evento di riconnessione magnetica in un plasma RFP. Il lavoro di questa tesi sembra mostrare un possibile contributo al riscaldamento ionico da parte delle onde di Alfvén, comparabile con i dati sperimentali.