Mesures récentes des sources, du transport et des pertes d’ions dans la magnétosphère de la Terre, implications Jean-André Sauvaud CESR, Toulouse Paris, septembre 2005 Colloque Bilan et perspectives PNST 2005

Solar wind: H + (95%) and He ++ (4%), O , C , Fe Ionosphere: H +, He +, N +, N ++, O +, O ++, O 2 +, NO + ION SOURCES

H/He ~25 He/O ~75 (  11) 0.66 < C/O < 0.71 (  11) SW TYPICAL DENSITY RATIOS Charges states of solar wind ions are determined by the solar escape region temperatures and are expected to remain unchanged in interplanetary space

2 1 Il existe très peu de mesures de composition ionique faites simultanément dans le vent solaire et dans la magnétosphère, à l’exception de He ++

Bz sudBz nord Etat d’ionisation du Fer MESURE UNIQUE

EQUATORIAL NIGHTSIDE QUASI-TRAPPING REGION Mesures très rares, instrumentation complexe: RBSP keV/q

E/M E/Q keV

ORDRE E/M ______________________________ E/M: acceleration ‘adiabatique’ E/Q acceleration par champ électrique E/M ordonne mieux les spectres des ions issus du vent solaire que E/Q.

Magnetosheath: no O 5+,4+,3+ and no C 3+,2+ Magnetospherically produced high charge states C and O ions by charge exchange S. P. Christon et al.

TRAJECTORIES AND TIME OF FLIGHT Residence times > 12 hours Stenuit et al., 2002  Imagerie par atomes neutres

RECONNECTION Cowley and Owen [1988] Inside the dHT frame, the plasma flows at the Alfven velocity: V SH = V dHT + V A b SH V M = V dHT + V A b M Cowley, 1982; Cowley and Owen, 1988 PHYSIQUE : MMS

CLUSTER Lavraud et al., 2002

Bouhram et al., 2003, 2004 Ejection d’ions planétaires du cornet polaire Echappement d’ions depuis la calotte polaire Maggiolo et al., 2005 Teste et al., 2005

Maggiolo et al., 2005 B E Echappements depuis la calotte polaire

BOUNDARY LAYERS OF THE MAGNETOSPHERE AURORAL SIGNATURES Equatorial projection SOURCE ? Stenuit et al., 2002

ION FLUXES – DYNAMICAL PRESSURE Dynamical pressure, nP Ion flux, 3 keV Mécanisme d’entrée ???

PLASMA IONOSPHERIQUE A L’INTERFACE VENT SOLAIRE – MAGNETOSPHERE REVELATEUR: MOUVEMENTS DE LA MAGNETOPAUSE

MAGNETOPAUSE

SC-3 H+H+ O+O+ He + SC-3 SC-1 H+H+ O+O+ He + PS Sauvaud et al., 2001, Sauvaud and Décréau, 2003

Cold dense plasma of terrestrial origin is detected close to the magnetopause (densities  1 cm -3 ). When this boundary moves back and forth, it produces the E field necessary to give a sufficient drift velocity to the ions to overcome the satellite potential. Origin: dayside/nightside ionosphere.

PLASMA IONOSPHERIQUE DANS LA PLASMA SHEET- 1 REVELATEUR: ECLIPSE

GEOTAIL EN ECPLISE

ECCLIPSE Seki et al., 2002

PLASMA IONOSPHERIQUE FROID LA PLASMA SHEET - 2 REVELATEUR: ONDES

Hirahara et al., 2004

01:5002:00 GEOTAIL June 18, 2000

Les ions solaires minoritaires et multi-chargés peuvent en particulier être utilisés pour étudier: -Les phénomènes d’accélération solaires, -Les mécanismes de pénétration/circulation dans la magnétosphère, - Les accélérations dans le choc terrestre et dans le cornet polaire Les mesures sont difficiles et nécessitent des instruments quasi-identiques sur plusieurs satellites. STEREO-RBSM, POLAR CONCLUSION 1

Les mesures récentes de Geotail et Cluster révèlent l’existence d’une population dense d’ions froids d’origine planétaire aux interfaces des grands réservoirs de plasma de la Terre. La charge des satellites rend ces observations possibles seulement lorsque le plasma est mis en mouvement ou pendant les éclipses des satellites. Les mesures de la fréquence plasma sont indispensables pour les missions futures. CONCLUSION 2

Le plasma solaire pénètre dans le cornet polaire aussi bien lors des épisodes de B IMF Nord que Sud. De façon inattendue la densité du plasma dans la magnétosphère de la Terre est plus forte en période de Bz Nord. Remise en cause des mécanismes de pénétration? MMS, THEMIS CONCLUSION 3

CONCLUSION 4 Le rôle de l’ionosphère dans le déclenchement des instabilités des feuillets de courants est complètement négligée (Pourtant les ions O + sont fréquemment porteurs d’une pression supérieure (  10) à celle des ions H + CLUSTER-THEMIS?

La mesure de la densité est incertaine à bord d’un satellite chargé situé hors de l’ionosphère quand le plasma ne s’écoule pas rapidement

Burst of dense plasma at 6.6 Re

ElémentPhotosphèreVent solaireSEP H He He C N O111 Ne Mg Si S Ar (lune) Fe

Aux très grandes énergies l’état de charge n’est pas mesuré directement H +, He ++, C 6+, Ne 8+, Mg 10+, Si 8+ SAMPEX (512  615 km, 82°) RESOLUTION EN TEMPS: PLUSIEURS HEURES/JOURS

C4 C1 C3 C1 C3 C2 C4 X GSM Z GSM Ion UT 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00 17:30 18:00 ILAT MLT UT 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00 17:30 18:00 ILAT MLT UT 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00 17:30 18:00 ILAT MLT Echange de charge

TIME DELAY T1T1 T2T2 Besoin d’un satellite proche de la Terre

Burst of dense plasma at 6.6 Re

Northward Bz NT Southward Bz

RégionSource, s -1 Perte, s -1 Magnétopause jour~10 26 ~10 25 Magnétopause, queue ? Ionosphere des hautes latitudes ~10 26 ~10 25 Plasmasphere<<10 26 <10 25 Queue lointaine?