n . andré institut de recherche en astrophysique et en planétologie, irap, toulouse, france

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

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