Estudio 1D y 3D de la emisión espontánea amplificada hacia atrás en filamentos de nitrógeno atmosférico

Abstract

La presencia de gran cantidad de sustancias contaminantes en la atmósfera es uno de los mayores problemas a los que se enfrenta la humanidad en la actualidad. Es por ello que la detección y monitorización de estos productos dañinos adquiere gran importancia hoy en día, ya que estos contaminantes afectan tanto al estado del medio ambiente como a la salud de todos los seres vivos. Una de las técnicas punteras que destaca en este campo consiste en usar un haz láser amplificado en la atmósfera como sonda de una región. De esta manera, tanto el equipo que crea el láser en la atmósfera como el detector se colocan en la superficie de la Tierra. Este método consiste en la emisión de un pulso láser infrarrojo que se enfoca sobre un determinado punto de la atmósfera. De esta manera se consigue la amplificación de la radiación ultravioleta (UV) en un filamento de plasma débilmente ionizado. La amplificación originada en el filamento se produce tanto en el sentido del pulso como en el opuesto. El análisis de la radiación emitida en sentido opuesto (es decir, hacia la superficie de la Tierra) permite obtener resultados de gran interés referentes a la existencia de sustancias contaminantes en las zonas de la atmósfera que ha atravesado. Para poder comprender estos fenómenos es necesario realizar experimentos con el fin de analizar distintos escenarios, lo que resulta una tarea complicada que conlleva un elevado coste. Es por esta razón que la modelización de estos experimentos usando códigos resulta imprescindible a la hora de caracterizar tanto el comportamiento del plasma como los efectos que se derivan de la emisión estimulada. Para modelizar estos experimentos se ha desarrollado el código DeepOne, que supone el resultado de una colaboración entre el Instituto de Fusión Nuclear de la Universidad Politécnica de Madrid y el Laboratoire d’Optique Appliquée de París (ENSTA, École Polytechnique, CNRS). Su evolución en 3D, Dagon, ha sido desarrollada por el Instituto de Fusión Nuclear en el marco de una Marie Sklodowska-Curie fellowship (financiada por la Unión Europea). El Dr. Eduardo Oliva Gonzalo es el encargado del mantenimiento y desarrollo de estos códigos, así como de la realización de simulaciones. Este trabajo supone una continuación de los trabajos realizados por Sergio Vicens de Cabo [1], Juan Carlos Escudero [2], Javier Vera Gallego [3], Alberto Sanchís Sebastiá [4], Antonio Luque Robles [5] y Guillermo López Martín [6], todos ellos dirigidos por D. Eduardo Oliva Gonzalo. Debido a que el nitrógeno es el componente mayoritario de la composición de la atmósfera (78,1 % en volumen), además de los buenos resultados proporcionados por el código al estudiar la amplificación de la radiación UV en esta molécula, resulta una buena elección centrar el estudio de la atmósfera en él. De esta manera se pueden obtener buenas estimaciones acerca de lo que sucede realmente en el aire. El esfuerzo de años dedicado por D. Eduardo Oliva Gonzalo y el trabajo realizado por los alumnos han permitido concretar los valores de los parámetros y las aproximaciones necesarias para obtener resultados en las simulaciones fieles a la realidad. En concreto, este trabajo está centrado en el estudio de la emisión espontánea amplificada hacia atrás que se produce en la molécula de nitrógeno tras la creación del filamento de plasma. El análisis se realizó tanto en 1D como en 3D, a partir de los códigos DeepOne y Dagon. En primer lugar, se llevaron a cabo simulaciones en 1D de casos estudiados en [7] con el objetivo de modelizar y verificar los resultados. A continuación, se procedió a estudiar en 1D la emisión espontánea amplificada hacia atrás utilizando distintos valores de la tasa de depolarización colisional, para comprobar qué valor proporcionaba resultados más acordes con el experimento que se pretendía simular. También se estudió la validez de la aproximación adiabática propuesta en [7]. Los resultados obtenidos reafirmaron la idea de que la tasa de depolarización debe tener un valor que decaiga en el tiempo, descartando la utilización de valores constantes para dicha tasa y de la aproximación adiabática por la disparidad de los resultados. Por otra parte, se realizaron simulaciones en 3D utilizando el código Dagon, con el objetivo de observar los efectos que se producen tanto en el ASE como en los pulsos inyectados. En primer lugar, se comprobó la validez del código comparando los resultados obtenidos con las simulaciones realizadas en 1D. A continuación, se compararon cortes en 2D de las simulaciones para los distintos casos de amplificación. También se estudiaron los perfiles tridimensionales del haz amplificado. A partir de los resultados obtenidos se ha concluido que tanto el perfil de densidad característico del filamento de plasma como la tasa de depolarización influyen fuertemente en la dinámica de amplificación. Además, para la amplificación hacia atrás esta influencia adquiere una mayor importancia que para la amplificación hacia delante. En definitiva, este trabajo ha supuesto el comienzo del estudio de la emisión espontánea amplificada hacia atrás del nitrógeno mediante los modelos elaborados en trabajos previos, proporcionando nuevos caminos de investigación con el objetivo de mejorar los códigos utilizados para obtener resultados más acordes a la realidad.