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Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario
M.F. Marcucci SAIT Teramo 4-8 maggio 2008
Nuove conoscenzeNuove conoscenze
sulla riconnessione magneticasulla riconnessione magnetica
dai dati della missione Cluster.dai dati della missione Cluster.
M.F. Marcucci
Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario
M.F. Marcucci SAIT Teramo 4-8 maggio 2008
Outline
•Introduzione
• 3 esempi di osservazioni di Cluster durante la riconnessione
•Prospettive future
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•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.
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Simulations show that resistive MHD gives elongated (system size) Sweet-Parker layer
and very low reconnection rates (Birn et al. 2001)
i AV V
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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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The ESA cornerstone mission CLUSTER
Launched 2000 –Extended to 2009
Cluster is the first spacefleet flying in close
formation to study fundamental plasma
processes in three dimensions.
Cluster explores some of the most important
near-Earth regions. During 2004-2007
operated together with the ESA-CSNA
Double Star mission.
IFSI participated in the design and
development of the plasma analyzers in the
framework of an international collaboration.
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~ 3000 km
Kinetic features of plasma near the X-point
Bavassano Cattaneo et al., 2006
11
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~ 3000 km
Kinetic features of plasma near the X-point
350000 km
3500
00 k
m
Bavassano Cattaneo et al., 2006
Yokoyama, 2001
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Retinò et al. 2005, Bavassano Cattaneo et al. 2006
Reconnection is continous while large scale conditions changes
C1 C3 C4
MP
E
Vn
Vt
ΔBΔVμρ
1
Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario
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Retinò et al. 2005, Bavassano Cattaneo et al. 2006
Reconnection is continous while large scale conditions changes
C1 C3 C4
Spacecraft Separation 1000 kmTime Interval 4 hours
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km8.0km40 km20
The Hall term enables fast reconnection also in collisionless plasma(Birn et al. 2001)
JJ
BJBVE
dt
d
enen pee 2
0
1P
11
Two component plasma full generalized Ohm’s law
Physics of the diffusion region
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Adapted from Nakamura, 2005
Hall currents system quadrupolar out-of-plane magnetic field
Hall term signatures (Sonnerup 1979):
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Cluster resolve the spatial
and temporal ambiguity
always present in the
single spacecraft
measurements and
observe unambiguously
the Hall term signature.
2D two fluid MHD numerical simulation of the diffusion region and Cluster configuration.
Spacecraft Separation 100 kmTime Interval 4 s
Hall magnetic field observations
Vaivads et al. 2004
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Observation of an Elongated Electron Diffusion Region
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 i
A super-Alfvenic outflow jet of electrons
extending 10s of i
Phan et al. 2007, Shay et al. 2007
33
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Time Interval 15 s
Observation of an Elongated Electron Diffusion Region
Phan et al. 2007, Shay et al. 2007
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Time Interval 15 s
Observation of an Elongated Electron Diffusion Region
Phan et al. 2007, Shay et al. 2007
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How is reconnection initiated?– What triggers reconnection within a current sheet?
• What parameters control the spatial/temporal characteristicsof reconnection site?– How is a reconnection neutral line structured ?
• What are the consequences of reconnection?– How are ions and electrons energized as a consequence ofreconnection ?
It is important to note that reconnection is a multi-scale process
Unanswered Questions
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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