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Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario
Nuove conoscenze sulla riconnessione magnetica dai dati della missione Cluster.
M.F. Marcucci
M.F. Marcucci SAIT Teramo 4-8 maggio 2008
Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario
Outline
•Introduzione • 3 esempi di osservazioni di Cluster durante la riconnessione •Prospettive future
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Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario • La riconnessione magnetica converte rapidamente l’energia magnetica dei plasmi spaziali in energia termica e cinetica.
• E’ un processo universale che si verifica in regioni di plasma diversissime per valori di densità e temperatura.
• A tutt’oggi, domande fondamentali riguardanti questo processo non hanno risposta. M.F. Marcucci SAIT Teramo 4-8 maggio 2008
Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario Simulations show that resistive MHD gives elongated (system size) Sweet-Parker layer and very low reconnection rates (Birn et al. 2001)
V i
V A
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Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario Quando la riconnessione è di tipo Petschek il tasso di riconnessione raggiunge valori confrontabili con quelli osservati
E’ fondamentale descrivere la struttura della regione di diffusione e capire se a guidare il processo è la fisica in questa regione, o le condizioni su grande scala.
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Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario The ESA cornerstone mission
CLUSTER
Launched 2000 –Extended to 2009
Cluster
is the first spacefleet flying in close formation to study fundamental processes in three dimensions .
plasma Cluster explores some of the most important near-Earth regions.
During 2004-2007 operated together
Double Star
mission.
with the ESA-CSNA IFSI participated in the design and development of the
plasma analyzers
in the framework of an international collaboration.
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Kinetic features of plasma near the X-point
M.F. Marcucci Bavassano Cattaneo et al., 2006 SAIT Teramo 4-8 maggio 2008
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Kinetic features of plasma near the X-point
350000 km Yokoyama, 2001 M.F. Marcucci Bavassano Cattaneo et al., 2006 SAIT Teramo 4-8 maggio 2008
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Reconnection is continous while large scale conditions changes MP E V n V t
C1 C3 C4
ΔV
1 μρ
ΔB
Retinò et al. 2005, Bavassano Cattaneo et al. 2006 M.F. Marcucci SAIT Teramo 4-8 maggio 2008
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Reconnection is continous while large scale conditions changes
C1 C3 C4 Spacecraft Separation 1000 km Time Interval 4 hours Retinò et al. 2005, Bavassano Cattaneo et al. 2006 M.F. Marcucci SAIT Teramo 4-8 maggio 2008
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Physics of the diffusion region
Two component plasma full generalized Ohm’s law
E
V
B
1
en
J
B
1
en
P
e
1 0 2
pe d
J
J
dt
40
km
20
km
0 .
8
km
The Hall term enables fast reconnection also in collisionless plasma (Birn et al. 2001) M.F. Marcucci SAIT Teramo 4-8 maggio 2008
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Hall term signatures (Sonnerup 1979):
Adapted from Nakamura, 2005
Hall currents system quadrupolar out-of-plane magnetic field
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Hall magnetic field observations
Cluster resolve the spatial and temporal ambiguity always present in the single spacecraft measurements and observe unambiguously the Hall term signature.
2D numerical simulation of two the fluid MHD diffusion region and configuration.
Cluster
Spacecraft Separation 100 km Time Interval 4 s M.F. Marcucci Vaivads et al. 2004 SAIT Teramo 4-8 maggio 2008
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Observation of an Elongated Electron Diffusion Region
3 Recently particle in cell simulations show that the electron diffusion region develops a distinct two-scale structure along the outflow direction: An out-of-plane current layer of length l i A super-Alfvenic outflow jet of electrons extending 10s of l i Phan et al. 2007, Shay et al. 2007 M.F. Marcucci SAIT Teramo 4-8 maggio 2008
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Observation of an Elongated Electron Diffusion Region
Time Interval 15 s Phan et al. 2007, Shay et al. 2007 M.F. Marcucci SAIT Teramo 4-8 maggio 2008
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Observation of an Elongated Electron Diffusion Region
Time Interval 15 s Phan et al. 2007, Shay et al. 2007 M.F. Marcucci SAIT Teramo 4-8 maggio 2008
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Unanswered Questions
How is reconnection initiated?
– What triggers reconnection within a current sheet?
• What parameters control the spatial/temporal characteristics of reconnection site?
– How is a reconnection neutral line structured ?
• What are the consequences of reconnection?
– How are ions and electrons energized as a consequence of reconnection ?
It is important to note that reconnection is a multi-scale process M.F. Marcucci SAIT Teramo 4-8 maggio 2008
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Simultaneous
3D measurements on all three scales – electron , ion and fluid – are crucial.
This is the scope of the
Cross-Scale
mission Cross-Scale has been selected by ESA's Space Science Advisory Panel to proceed to the Assessment Phase of Cosmic Vision 2015-2025 M.F. Marcucci SAIT Teramo 4-8 maggio 2008