La liaison Terre - Soleil vue en 3D par les 4 satellites Cluster C La liaison Terre - Soleil vue en 3D par les 4 satellites Cluster C. Philippe Escoubet ESA/ESTEC, The Netherlands Movie list: ion-ms-jan_3.mpeg.mpg orbit_dayside_nightside.m1v efw_deploy.m1v lembege1.avi lembege2.avi fgm_on_boom.m1v wave_on_magnetopause.mpg reconnection_simple.m1v reconnection tail.m1v cusp_cluster.m1v La liaison Terre-Soleil Pourquoi 4 satellites? Résultats scientifiques Centres de données et d’archivage

Feuillet de plasma Cornet polaire magnetopause Bow shock

La magnetosphere le 10 Jan. 1997 C. Goodrich, Boston University, and VPL, University of Maryland at College Park, USA

Régions de la magnétosphère visitées par Cluster: côté jour Vent solaire Vent solaire Cornet polaire Zone aurorale Magnetopause

Orbite côté jour et nuit

Pourquoi 4 satellites sont-ils necessaires? Discontinuity t1 (time) r1 (position) => C1

Pourquoi 4 satellites sont-ils necessaires? Discontinuity t1 (time) r1 (position t2 (time) r2 (position) VdC12 (velocity) => t1 (time) r1 (position) => t1 (time) r1 (position t2 (time) r2 (position) => C1 C2

Pourquoi 4 satellites sont-ils necessaires? Discontinuity t1,r1 => t1,r1 t2,r2 => t1,r1 t2,r2 t3,r3 => C3 C1 C2

Pourquoi 4 satellites sont-ils necessaires? t1,r1 t2,r2 t3,r3 Vd123 => C2

Pourquoi 4 satellites sont-ils necessaires? Discontinuity t1,r1 => t1,r1 t2,r2 => t1,r1 t2,r2 t3,r3 => t1,r1 t2,r2 t3,r3 t4,r4 => C3 C1 C4 C2

Pourquoi 4 satellites sont-ils necessaires? 4 satellites: discontinuity normal and velocity  t1,r1 t2,r2 t3,r3 t4,r4 n, Vd =>  n

44 Cluster instruments 7 DWP (H. Alleyne, UK) Wave processor 8 EFW (M. Andre, S) Electric fields and waves 9 STAFF (N. Cornilleau-Wehrlin, F) Magnetic and electric fluctuations 10 WHISPER (P. Decreau, F) Electron density and plasma waves 11 WBD (D. Gurnett, USA) Electric field wave-forms 1 ASPOC (K. Torkar, A) Spacecraft potential control 2 CIS (H. Reme, F) Ion composition (E<40 keV) 3 EDI (G. Paschmann, D) Plasma drift velocity (0.1<E<10 mV/m, 5<B<1000 nT)) 4 FGM (A. Balogh, UK) Magnetic field 5 PEACE (A. Fazakerley, UK) Electrons (E<30 keV) 6 RAPID (P. Daly, D) High energy electrons and ions (10<Eions<1500 keV/nuc, 20<Ee<400 keV)

Separation distance strategy C1,C2,C3 C3,C4 cusp tail C1 C2 C3 C4 d

Example de traversée de magnetopause: 31 Decembre 2000 Solar wind Magnetopause

La magnetopause en mouvement V=51 km/s n=(-0.88,-0.13,-0.46) V=140 km/s C1 C3 C2 C4 (Pedersen et al., Ann. Geo., 2001,)

Giant vortices in the magnetosphere Les vents solaires, plasma emis continuellement par le soleil, peut sous certaines condition creer de gigantesques vortex a la surface externe de la magnetosphere C’est analoque au vent qui donne naissance aux vagues a la surface de l’ocean. Ce qu’on voit avec Cluster, grace a ses observations en 3D, c’est que les vagues s’enroulent sur elles memes pour creer des vortex. C’est un processus tres important car il permettrai au particules du vent solaire d’entrer dans la magnetosphere. Les particules du vent solaire peuvent produires les aurores polaires mais aussi avoir des effets dramatiques sur la vie de tous les jours (communications, anomalies ou destructions satellites, lignes electriques en sur-tension dans les pays Nordqiues. Vortex Cluster H. Hasegawa et al., Nature, 2004

Example de traversée de l’onde de choc Vent solaire Onde de Choc

Epaisseur de l’onde de choc mesurée simulations [S. Bale, PRL, 2003] observations Epaisseur de l’onde de choc proportionnelle au rayon de giration des ions [B. Lembege, 2001]

Mesure de courant electrique B B C1 B C4 C2 B Le courant est donné par la loi d’Ampère Jo = rot B Jo

Mesure du courant de Chapman-Ferraro B B Jo Vent solaire Magnetopause Magnetosphere Solar wind Magnetopause Le courant est donné par Jo = rot B

Magnetopause: Epaisseur et courants N (cm-3) Magnetopause Magnetopause: Epaisseur et courants Separation satellites: 100 km Tous les satellites dans la couche de courant courant calculé a partir de rot B Jo=0.15 μAm-2 max Bt (nT) 200 km Jo (μAm-2) [Paschmann et al., 2003] 20 s

Premières mesures du courant annulaire C. Vallat, Ann. Geophys., 2005 Cluster/ IMAGE Jo Mesure du courant Jo = rot B C1 C2 C3 C4 IMAGE P. Brandt, 2005

Vortex Alfveniques dans le cornet polaire

Vortex Alfveniques dans le cornet polaire Sunkvist et al., Nature, 2005 vortex

Reconnexion magnétique et plasmoide

Courbure du champ magnétique et renversement d‘écoulement du plasma Magnetic field components in the Cluster barycentre: 4 current sheet traversals Field line curvature: curv B = (b.grad)b Flow and field line curvature reversal X-line moves tailward over Cluster 1 Oct 2001 [Runov et al, GRL, 2003]

Aurores et aurores noires

Aurores noires => Structure électrique croît et disparaît Marklund et al., Nature, 2001

Localisation des sources de radiations aurorales kilometriques: interferometrie spatiale On utilise l’interferometrie sur les 4 satellites pour localiser les source de radiations aurorales. Le delai de reception sur les 4 satellites est legerement different (micro secondes) car leur position est differentes. En tru=iangulant on trouve la position de la source. AKR en stereo D. Gurnett et al., Iowa, USA

Interférométrie spatiale => source AKR au dessus des aurores les plus intenses D. Gurnett et al., Iowa, USA

Système de données Cluster 9 centres de données pour 273 Co-investigateurs dans 74 labos Etats-Unis = 74 PI/CoIs Europe = 189 PI/CoIs Centre de données China: 5 India: 2 Japan: 3 Asia: Archivage actif http://sci.esa.int/cluster

Résumé et conclusions Cluster, première mission d’exploration de la magnétosphère utilisant 4 satellites Le 4 satellites permettent de meilleures mesures de la dynamique de la magnétosphère, des courants électriques et de la localisation des émissions électromagnétiques Le système de distribution regroupe 9 centres de données inter-connectés et un centre d’archivage actif La mission a été étendue jusqu’a fin 2009 pour permettre l’ étude multi-échelles et d’observer de nouvelles régions

Reconnexion magnétique

Cluster et IMAGE observent la reconnecxion magnetique Dans le cornet polaire Cluster is observing close to the reconnection point the two opposite jets which is a good indication that it crossed the reconnection line Image is taking picture the protons which reached the ionosphere and sees a bright spot. From magnetic models it was verified that the bright spot position is on the same filed line as Cluster (blue line reaching the Earth) This has been proposed for the cover of Geophysical Research letter. T. Phan et al., Berkeley, USA

Extension (-> 2009): multi-echelles Solar wind 2006-2007

Extension (-> 2009): nouvelles régions Solar wind Magnétopause: Subsolar point Zone aurorale: Region d’accélération 2001 2008-2009

Ondes de surfaces sur le feuillet de plasma: Cluster L’onde se propage vers l’exterieur Vitesse de propagation 57 km/s pour 39 examples pendant des periodes calmes 145 km/s pendant les periodes actives From Sergeev et al., 2004

Ondes de surfaces sur le feuillet de plasma: Cluster - Double Star DSP-TC1 Cluster Cluster oscillations From Zhang et al., 2005

Ondes étendues entre 11 et 16 Re From Zhang et al., 2005

La magnetosphere: milieu dynamique en mouvement perpetuel out of the magnetosphere magnetopause Earth Bow shock (MHD simulation, J. Berchem, UCLA, USA)