Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario
Nuove conoscenze
sulla riconnessione magnetica
dai dati della missione Cluster.
M.F. Marcucci
M.F. Marcucci
SAIT Teramo 4-8 maggio 2008
Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario
Outline
•Introduzione
• 3 esempi di osservazioni di Cluster durante la
riconnessione
•Prospettive future
M.F. Marcucci
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• La riconnessione magnetica converte rapidamente l’energia magnetica dei
plasmi spaziali in energia termica e cinetica.
• E’ un processo universale che si verifica in regioni di plasma diversissime per
valori di densità e temperatura.
• A tutt’oggi, domande fondamentali riguardanti questo processo non hanno
risposta.
M.F. Marcucci
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Simulations show that resistive MHD gives elongated (system size) Sweet-Parker layer
and very low reconnection rates (Birn et al. 2001)
Vi 
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

VA
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Quando la riconnessione è di tipo Petschek il tasso di riconnessione raggiunge
valori confrontabili con quelli osservati
E’ fondamentale descrivere la struttura della regione di diffusione
e capire se a guidare il processo è la fisica in questa regione, o le
condizioni su grande scala.
M.F. Marcucci
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The ESA cornerstone mission CLUSTER
Launched 2000 –Extended to 2009
Cluster is the first spacefleet flying in close
formation
to
study
fundamental
plasma
processes in three dimensions.
Cluster explores some of the most important
near-Earth
operated
regions.
together
During
with
the
2004-2007
ESA-CSNA
Double Star mission.
IFSI
participated
in
the
design
and
development of the plasma analyzers in the
framework of an international collaboration.
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1
Kinetic features of plasma near the X-point
Bavassano Cattaneo et al., 2006
M.F. Marcucci
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350000 km
Kinetic features of plasma near the X-point
350000 km
Yokoyama, 2001
Bavassano Cattaneo et al., 2006
M.F. Marcucci
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Reconnection is continous while large scale conditions changes
MP
Vt
Vn
E
C1 C3 C4
1
ΔV 
ΔB
μρ
Retinò et al. 2005, Bavassano Cattaneo et al. 2006
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Reconnection is continous while large scale conditions changes
C1 C3 C4
Spacecraft Separation 1000 km
Time Interval 4 hours
Retinò et al. 2005, Bavassano Cattaneo et al. 2006
M.F. Marcucci
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Physics of the diffusion region
Two component plasma full generalized Ohm’s law
1
1
1 dJ
E  V  B  J  B    Pe 
 J
2
en
en
 0 pe dt
 40km
 20km
 0.8km
The Hall term enables fast reconnection also in collisionless plasma
(Birn et al. 2001)
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Hall term signatures (Sonnerup 1979):
Adapted from Nakamura, 2005
Hall currents system
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quadrupolar out-of-plane magnetic field
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2
Hall magnetic field observations
Cluster resolve the
spatial and temporal
2D two fluid MHD
numerical simulation
of
the
diffusion
region and Cluster
configuration.
ambiguity always present
in the single spacecraft
measurements and
observe unambiguously
the Hall term signature.
Spacecraft Separation 100 km
Time Interval 4 s
M.F. Marcucci
Vaivads et al. 2004
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3
Observation of an Elongated Electron Diffusion Region
Recently particle in cell simulations
show that the electron diffusion region
develops a distinct two-scale structure
along the outflow direction:
An out-of-plane current layer of length li
A super-Alfvenic outflow jet of electrons
extending 10s of li
Phan et al. 2007, Shay et al. 2007
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Observation of an Elongated Electron Diffusion Region
Time Interval 15 s
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Phan et al. 2007, Shay et al. 2007
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Observation of an Elongated Electron Diffusion Region
Time Interval 15 s
M.F. Marcucci
Phan et al. 2007, Shay et al. 2007
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Unanswered Questions
How is reconnection initiated?
– What triggers reconnection within a current sheet?
• What parameters control the spatial/temporal characteristics
of reconnection site?
– How is a reconnection neutral line structured ?
• What are the consequences of reconnection?
– How are ions and electrons energized as a consequence of
reconnection ?
It is important to note that reconnection is a multi-scale process
M.F. Marcucci
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Simultaneous 3D measurements on all
three scales
– electron, ion and fluid – are crucial.
This is the scope of
the Cross-Scale mission
Cross-Scale has been selected by
ESA's Space Science Advisory Panel to
proceed to the Assessment Phase
of Cosmic Vision 2015-2025
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