Turbulencia
Un fluido con una viscosidad suficientemente baja o una velocidad característica suficientemente elevada (equivalentemente, con un número de Reynolds grande) muestra un comportamiento caótico, donde la velocidad, la densidad y otras propiedades del fluido cambian en el espacio y en el tiempo de manera aparentemente aleatoria. En dicha situación se dice que el fluido es turbulento o que se encuentra en un régimen turbulento. A pesar de su aparente complejidad, un régimen turbulento puede ser caracterizado según las propiedades estadísticas de las fluctuaciones en el fluido. Uno de los principales resultados de esta descripción estadística fue dispuesta a modo de poema por el físico y matemático L.F. Richardson: "Vórtices grandes dan lugar a vórtices pequeños, alimentados por su velocidad, y los pequeños llevan a incluso más pequeños, y así hasta la viscosidad."(en inglés original: "Big whirls have little whirls, Which feed on their velocity, And little whirls have lesser whirls, and so on to viscosity"). En otras palabras, la turbulencia es un mecanismo que trasnfiere energía de fluctuaciones a escales grandes a escalas más pequeñas, creando fluctuaciones de menor amplitud que a su vez también dan lugar a estructuras de menor amplitud, repitiendo el proceso hasta que las fluctuaciones resultantes sean lo suficientemente pequeñas para verse afectadas por los mecanismos disipativos y en consecuencia, acaben contribuyendo a alimentar la energía interna del sistema.
Este proceso entre escalas es conocido como la cascada de energía. Se asume que el ritmo al que la turbulencia tranfiere energía entre escalas es independiente de éstas, por lo que el llamado "ritmo de la cascada de energía" se mantiene constante entre escalas e igual al ritmo al que las fluctuaciones más pequeñas son disipadas. El ritmo al que se disipa la energía es un factor determinante para multitud de procesos que tienen lugar en plasmas astrofísicos, desde la producción de ciertas especies químicas en nubes moleculares hasta la aceleración de partículas, así como para otros procesos en los que la temperatura del plasma resulta relevante. Por tanto, el uso del ritmo de la cascada de energía como proxy del ritmo de disipación es de utilidad para el estudio de medios donde los mecanismos disipativos no estén claros. Mientras la naturaleza de estas no está clara ni siquiera en plasmas heliosféricos y las escalas a las cuales tienen lugar todavía no son accesibles con la sensibilidad de los instrumentos acuales, las escalas a las que la turbulencia actúa y transfiere la energía sí que lo son.
Figura: Esquema de la cascada energética.
Una de las líneas de investigación en nuestro grupo se centra en las ecuaciones de Karman-Howarth-Monin (KHM), que pueden entenderse como ecuaciones de balance de energía dependientes de la escala del sistema. Con unas pocas hipótesis, las ecuaciones KHM permiten medir el ritmo de la cascada de energía en plasmas turbulentos, como los que conforman el viento solar o la magnetosfera. En particular, nos dedicamos a la derivación de ecuaciones tipo KHM, a su validación mediante simulaciones numéricas y a su uso tanto en simulaciones como en datos obtenidos de medidas in-situ realizadas por satélitas en la heliosfera y la magnetosfera. Nuestro objetivo es entender mejor de qué manera las propiedades del plasma pueden alterar la cascada de energía, y a su vez como la turbulencia en el plasma es afectada por otros fenómenos que tienen lugar en el fluido, como la reconexión magnética, la presencia de iones pesados o la propagación de ondas en el plasma.
