Problématique Magnétodisque de Jupiter: archétype de structure magnétique en rotation. -> Disque magnétique, symmétrie cylindrique, transport radial et.

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1 Problématique Magnétodisque de Jupiter: archétype de structure magnétique en rotation. -> Disque magnétique, symmétrie cylindrique, transport radial et activité associée. Structure sans doute bien commune dans l’univers… Questions: -Dynamique et liens avec le transport radial ? Echelles temporelles et spatiales ? -Processus ? Peut-on mettre en évidence des variations de l’énergie de rotation du système ? Quelles sont les observables associées ? Etc… Découverte de processus dynamiques sporadiques, agissant sur tout le disque (~2-3 millions de km). Avec modifications de la masse du disque et une augmentation générale de l’activité aurorale, des indices d’effets sur le champ magnetique et de perturbations aux échelles globales de la pression. ~ 5 articles (Louarn et al, 98, 00, 01, 14 a,b) Utilisation des émissions radios, des mesures de B et du plasma Activité du magnetodisque jovien - Observations ‘Galileo’ Philippe Louarn 1

2 External driver (solar wind). Fundamental at Earth, Important at Saturn, Modest (?) at Jupiter. Considered as sporadic by nature La bestiole… Un système fortement magnétisé, en rotation, avec des sources internes de plasma. 2 ‘Proper’ dynamics of discs. (discs are not tails !) What are their dynamical modes ? How are these modes related to rotation and mass transport ? What are their typical time and space scales ? A problem of general astrophysical interest Inner engine (Rotation+ plasma load) Fundamental at Jupiter, Important at Saturn, Almost negligeable at Earth Considered as continuous by nature

3 Io inner Torus Pickup mechanism Io outer Torus Diffusion by wave particle interaction DisK Large scale bursty transport. Breaks in the disc ? Transition to disc Interchange Raleigh/Taylor Tail Reconnection, formation of a planetary wind 5 Rj8-10 Rj20-30 Rj 80-100 Rj Le disque et le transport. Les merveilles des plasmas non collisionels. Tout ne se réduit pas à la ‘bête’ diffusion…

4 As plasma from Io flows outwards its rotation decreases (conservation of angular momentum) Sub-corotating plasma pulls back the magnetic field Curl B -> radial current J x B force enforces rotation A system of field-aligned currents couples disc to Jupiter’s rotation. Momentum transfer from Jupiter atmosphere and the magnetodisc -> origin of main aurora and powerful radio emission Khurana 2001 Cowley & Bunce 2001 Le disque n’est pas seul: Il se couple par le champ magnétique à l’objet central (Jupiter). Ce couplage entraine le disque en rotation, il en résulte des manifestations multiples; émissions dans tout le spectre.

5 Travaux sur le sujet 5 1)Mise en évidence d’instabilités globales du disque (10 à 100 Rj). (Louarn et al, 98). ‘Energetic Events’. Utilisation des données PWS (Galileo) Possibles signatures locales (reconnection) (Krupp, 98, Woch, 99, Kronberg, 05, Vogt, 11)) 2) Instabilités liées à des variations du contenu en masse du disque. (Louarn et al, 00). Lien probable entre instabilité globale et transport radial particulièrement actif. Hypothèse d’évacuations massives et sporadiques à partir du tore de Io (6-12 Rj). 3) Origine interne des instabilités: lnjections de particules énergétiques (8-12 Rj) (Louarn et al, 01). Etude d’un cas (le seul disponible à l’époque) d’évenement vu au périjove. Généralisation (Louarn et al, 2014). Lien systématique entre ‘événements’ et signature de reconnection, Lien systématique entre ‘événements’ et injections dans le disque interne. 4) Lien avec des distorsions magnétiques: Perturbation ‘Bphi’: preuves directes d’une augmentation du couplage ionosphère/magnétosphère en lien avec les évènements. Système de courants amplifié., travail du couple de rotation.

6 Use of radio emissions to get a general view of the activity from different magnetospheric regions Louarn et al, 1998 ‘Energetic Events’ Outil utilisé: des émissions radio de différentes origines

7 ISSI, November 20127 1) Mise en évidence des ‘évènements’ globaux The ‘events’ most probably directly affect the structure of Io Torus/inner disc Each event corresponds to a new source of radiations in Io torus (Louarn et al, 1999) Again: 1996- DOY 260-280 Auroral Io Torus Local

8 Flow in equatorial plane. Observation of strong deviations of the flow in the post-midnight sector. Krupp et al, 2001, 8 Woch, J., N. Krupp, and A. Lagg, Geophys. Res. Lett., 29(7), 2002. Observations indépendantes: Flow bursts – Flow anisotropy Principle of ‘frequent/regular’ reconnection in the post midnight sector. Note: DOY: 1996- 263/280. Appears to be a particular time period, with very regular transient events – Quasi periodic events, this is not general.

9 9 2) Liens entre ‘évènements’ et changements de structure du disque Decreases of density and the thickness of the disc over 50-100 hours. Pre-midnight sector 80 Rj Radial evacuation of plasma in boundaries of the disc. 3Rj evacuation Central sheet evacuation What does it represent ? fp decreases from 1.5 kHz to a few 100 Hz in ~ 50 hours. Assume that this take place in the whole disc. -> Total evacuation ~ 5-10 10 32 Particles a- La masse. (Louarn et al, 00) Donc, un lien avec le transport radial !

10 3) Lien avec la dynamique interne: Evènements et injections QUESTIONS: (1) What are the INTERNAL consequences of the ‘Energetic Events’ ? (2) Have they an INTERNAL origin ? PAST WORKS: Storm-like dynamics of Jupiter’s inner and middle magnetophere, Mauk et al, 1999, JGR. Description of energy-time dispersed structures in the flux of energetic particles. Concept Des modifications majeures de l’équilibre de pression dans le disque

11 A study of one of these ‘events’ in the inner magnetosphere : A multi-instrument study of a jovian magnetospheric disturbance, Louarn et al, JGR, 2001 About 70 hours of data – DOY 96-309/310/311 Strong auroral burst and activity in nKOM frequency range when the injections occur (‘quiet’ magnetosphere before). The injections coincide with an energetic event. Is it systematic ? Do we have other examples ? RPWS - Auroral RPWS - nKOM EPD: 150 and 400 keV MAG - Fluctuations Range, Longitude

12 12 4) La généralisation – en route vers la systematisation… (Louarn et al, 14) ENERGETIC EVENTS (PWS) FLOW BURSTS (EPD) MAGNETIC SIGNATURE (MAG) Chaque ‘flow burst’ (signature de reconnexion) correspond un évènement énergétique ! Comme il était déjà démontré que les flow burst ont des signatures magnetiques (Kronberg, 08, Vogt,11, Kasahara 11), on montre que toutes ces signatures sont liées… Un événement est lié à une reconnexion au bord du disque. A- Comparison between the various signatures – EPD/MAG/RPWS EPD flow bursts (Kronberg, 05) – Evènements énergétiques

13 1996-310. Perfect case. Sporadic injections during the event. R~14 Rj. nKOM HOM 2000-053. Very similar. - Sporadic injections. R~10 Rj. Galileo goes deep into IO torus, ‘inside’ of nKOM. R~ 7 Rj 4) La généralisation – en route vers la systematisation… (Louarn et al, 14) B- Processus interne, lien avec les injections. Etude de tous les périjoves C’est systématique. 35 périjoves, 12 avec évènement vu à moins de 25 Rj. Ils sont TOUS associés à des injections

14 14 Une vision du processus

15 PWS and MAG- Doy 77-93, 1997 Radio Flux Density Radio events and disc perturbations: (3) magnetic distortions Angle of B from meridian plane Radial and azimuthal components Event 1 Event 2Event 3

16 Other example. Doy 165-177, 1997 Radio Flux Density Angle of B from meridian plane Radial and azimuthal components

17 PWS and MAG- Doy 77-93, 1997 Another view: a polar plot (system 3 longitude) of the crossings with the disc neutral plane Event 1 Event 2 Event 3 ~ intersection of the magneto-disc neutral plane with the ecliptic plane. Galileo Disc Spiral-like pattern with distorsions corresponding to the events time

18 Event 3 Event 1 Event 2 Radio Flux B-angle from meridian plane Distortion in disc The radio flux ‘traces’ the variations of the disc density and the related distortions of B Simple explanation ‘Slow down’ of the disc are correlated with the ‘events’. As this is also correlated with a mass increase of the disc, this should be related to variation of the overall kinetic momentum and the Jupiter/disc coupling

19 Radio/B-angle (Br,B phi ) Radio/Density Density/B-angle Br,B phi ) The radio flux ‘traces’ the variations of the disc density and related distorsions of B

20 Interpretation Model of Ionosphere /magnetosphere coupling (Hill, 1979) Local dynamical equilibrium in disc assuming near co-rotation.  : disc surface density Azimuth B component: (mass variation) B   traces the mass loading (assuming B  ~ cte) Current closure:thus: Order of magnitude: projection: Mass loading increases the parallel current and leads to more intense auroral activity

21 Conclusions 21 Un faisceau d’observations cohérent: 1) Mise en évidence d’instabilités globales du disque (10 à 100 Rj). ‘Energetic Events’ 2) Instabilités liées à des variations du contenu en masse du disque. (Louarn et al, 00). Lien entre instabilité globale et transport radial particulièrement actif. 3) Origine interne des instabilités: lnjections de particules énergétiques (8-12 Rj) (Louarn et al, 01, 14). Lien systématique entre ‘événements’ et signature de reconnection, Lien systématique entre ‘événements’ et injections dans le disque interne. 4) Lien avec des distorsions magnétiques: Perturbation ‘Bphi’: preuves directes d’une augmentation du couplage ionosphère /magnétosphère en lien avec les évènements. Système de courants amplifié., travail du couple de rotation. JUNO peut donner un autre éclairage. En particulier concernant (3) et (4).