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Transport du plasma d ans une magnétosphère en rotation rapide. N . André Institut de Recherche en Astrophysique et en Planétologie, IRAP, Toulouse, France nicolas.andre@ cesr.fr. Atelier exploration radio, plasma et UV des magnétosphères de Jupiter de de Ganymède - PowerPoint PPT Presentation
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N. André
Institut de Recherche en Astrophysique et en Planétologie, IRAP, Toulouse, France
Atelier exploration radio, plasma et UV des magnétosphères de Jupiter de de Ganymède
Meudon, France, 14-15 Mars 2011
Transport du plasma dans une magnétosphère en rotation rapide
Magnétosphères en rotation rapidePlasma pickupVinj = Vcorotation - Vmoon
Vmoon 10 km/s
Vcorotation 35 km/s
2) Centrifugation du plasma & étirement des lignes de champ
création d’un disque mince magnétisé demi-échelle de hauteur (1-2 Rp)
1) Une fois créé, le plasma est piégé par le champ magnétique et entraîné en rotation
3) D’une création locale au voisinage de ses sources à la redistribution globale observée (transport)
Sources de plasma à Jupiter
Activité volcanique à Io (Voyager) 1 ton/sLa densité locale augmente vers l’intérieur du système
Composition du plasma Jovien
Tore de gaz neutrede Io (UV) Mesures locales
du plasma dans le tore(ions lourds dérivés S, 0, …)
Comment expliquer l’homogénéitérelative observée (composition) ?
CassiniCHEMS
Fil conducteurComment des plasmas créés dans le vent solaire, dans la haute atmosphère des planètes, et surtout par leurs satellites (Io à Jupiter) alimentent-ils l’ensemble de la cavité magnétique, diffusent-ils radialement, sont-ils accélérés et finalement recombinent ?
Recirculationdu flux magnétique
Régionssources
RégionspuitsTransport
Avec ou sans changementde topologie magnétique
Problème cléen physique magnétosphérique
Energetic Particle Recycling
After Thorne (1983)
Taken from F. Bagenal
Comment expliquer la redistribution globale observée du plasma alors qu’il est créé localement très à l’intérieur du système ?
Þ nécessité d’un transport radial vers l’extérieur du système à travers les lignes de champ magnétique fermées
• de type Rayleigh-Taylor (RT)• Analogie hydrodynamique• Force centrifuge
(magnétosphère en rotation rapide)
Un mécanisme possible: l’instabilité d’échange
Transport radial du plasma
De la modélisation théorique de l’instabilité
• critère d’instabilité
fréquence magnétique de Brunt-Väisäla
Transport radial du plasma
à l’identification de ses signatures observationnelles (Cassini à Saturne)
Echange de tubes de flux
• Straight magnetic field
The thermal pressure gradient has no direct impact
The thermal pressure itself has a stabilizing effect
• In the cold plasma approximation
Gravity only
Curvature only
Applicationsà Jupiter
Taken from N. Krupp
Observations
Iden
tific
atio
n d
e se
s si
gnat
ures
ob
serv
atio
nnel
les
avec
Cas
sini
(et
Gal
ileo)
Echange de tubes de flux
Simulations numériques
Rice convection modelLiu et al., JGR, 2010
Bon accord avec les observations Cassini/CAPS à Saturne
‘Io fingers’Yang et al., 1994
3 - Energetic Particle RecyclingEnergetic Particle Recycling
After Thorne (1983)Taken from F. Bagenal
Energetic Particle Recycling• Energetic Neutral Atoms -
charge exchange S+ + O -> O+ +
• 50-80 KeV/nucleon
• Few % of torus’ 1 ton/sec
• Re-ionization of fast neutral wind • Cassini/MIMI saw pick-up ions > 2 AU from Jupiter
• H+, He++, He+, O+, S+ Molecules?!
Cassini MIMI
S*
Taken from F. BagenalKrimigis et al.
Krimigis et al.
Energetic Particle Recycling
Mendillo et al.
Extended Fast/Energetic Neutral Wind
• Sodium - ground-based telescopic observations of scattered sunlight - cold neutral wind from charge-exchange of torus ions
• MIMI observations of hot neutral sulfur and oxygen (molecules?) from charge-exchange of radiation belt particles >2 AU away
Sodium
Taken from F. Bagenal
Magnétosphères en rotation rapide
Mouvement du plasma principalement dans la direction de corotation (50 Rj, 15 Rs)
Jupiter (Krupp et al., 2007) Saturne (McAndrews et al., 2009)
Conservation du moment angulaire Equation du mouvement
centrifuge CoriolisLaplace
( ) => if >0, diminue (sous-corotation)
Projetée (sphérique) Composante azimutale du champSous-corotation du plasma
=> Milieu en rotation différentielle
‘Substorm-like’ dynamics
Pertes du plasma
Etirement / pincement des lignes de champ magnétique
Ouverture et expulsion du plasma
Reconnexiondans la queue
Vent solaire
Vent planétaire
Fukazawa, 2004
Taken from N. Krupp
Observations
Iden
tific
atio
n d
e se
s si
gnat
ures
ob
serv
atio
nnel
les
avec
New
Hor
izon
s
Plasmoids
McComas et al., Sci, 2007
Summary
Taken from the Jupiter book
IMP8 data at Earth
Owens et al., ApJ, 2010
Echappementd’électrons relativistes
Résumé: sources de neutres & plasma
Conclusions
• Limited set of observations obtained (better at Saturn)
• Small pieces of the puzzle have been revealed from Galileo observations• but the overall picture is still missing
• Links between the various ‘modes’ of transport to be identified
• Connection(s) between the inner, middle and outer magnetosphere
• Internally-driven dynamics a priori but the exact role of the solar wind • remains to be detailed
• Lessons to be learnt from comparative studies between Saturn, Jupiter • and the Earth