Transport du plasma dans une magnétosphère en rotation rapide 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

Magnétosphères en rotation rapide Plasma pickup Vinj = Vcorotation - Vmoon Vmoon 10 km/s Vcorotation 35 km/s 1) Une fois créé, le plasma est piégé par le champ magnétique et entraîné en rotation 2) Centrifugation du plasma & étirement des lignes de champ création d’un disque mince magnétisé demi-échelle de hauteur (1-2 Rp) 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/s La densité locale augmente vers l’intérieur du système

Composition du plasma Jovien Tore de gaz neutre de Io (UV) Mesures locales du plasma dans le tore (ions lourds dérivés S, 0, …)

Comment expliquer l’homogénéité relative observée (composition) ? Cassini CHEMS Comment expliquer l’homogénéité relative observée (composition) ?

Fil conducteur Comment 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 ? Régions sources puits Transport Avec ou sans changement de topologie magnétique Problème clé en physique magnétosphérique Recirculation du flux magnétique

Energetic Particle Recycling Taken from F. Bagenal After Thorne (1983)

Transport radial du plasma Comment expliquer la redistribution globale observée du plasma alors qu’il est créé localement très à l’intérieur du système ? 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 Echange de tubes de flux à l’identification de ses signatures observationnelles (Cassini à Saturne) Echange de tubes de flux De la modélisation théorique de l’instabilité critère d’instabilité fréquence magnétique de Brunt-Väisäla

Gravity only Straight magnetic field In the cold plasma approximation The thermal pressure gradient has no direct impact The thermal pressure itself has a stabilizing effect In the cold plasma approximation

Curvature only

Applications à Jupiter

Taken from N. Krupp

Observations Echange de tubes de flux observationnelles avec Cassini (et Galileo) Identification de ses signatures Echange de tubes de flux

Simulations numériques ‘Io fingers’ Yang et al., 1994 Rice convection model Liu et al., JGR, 2010 Bon accord avec les observations Cassini/CAPS à Saturne

Energetic Particle Recycling 3 - Energetic Particle Recycling Taken from F. Bagenal After Thorne (1983)

Energetic Particle Recycling Energetic Neutral Atoms - charge exchange S+ + O -> O+ + 50-80 KeV/nucleon Few % of torus’ 1 ton/sec Cassini MIMI S* Re-ionization of fast neutral wind Cassini/MIMI saw pick-up ions > 2 AU from Jupiter H+, He++, He+, O+, S+ Molecules?! Krimigis et al. Taken from F. Bagenal

Energetic Particle Recycling Sodium 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 Mendillo et al. Taken from F. Bagenal Krimigis et al.

Magnétosphères en rotation rapide Saturne (McAndrews et al., 2009) Jupiter (Krupp et al., 2007) Mouvement du plasma principalement dans la direction de corotation (50 Rj, 15 Rs)

Conservation du moment angulaire Composante azimutale du champ Sous-corotation du plasma Equation du mouvement Laplace centrifuge Coriolis Projetée (sphérique) ( ) => if >0, diminue (sous-corotation) => Milieu en rotation différentielle

‘Substorm-like’ dynamics

Pertes du plasma Reconnexion dans la queue Etirement / pincement des lignes de champ magnétique Ouverture et expulsion du plasma Reconnexion dans la queue Vent planétaire Vent solaire Fukazawa, 2004

Taken from N. Krupp

Observations McComas et al., Sci, 2007 Plasmoids observationnelles avec New Horizons Identification de ses signatures

Summary Taken from the Jupiter book

d’électrons relativistes Echappement d’électrons relativistes IMP8 data at Earth Owens et al., ApJ, 2010

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