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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 SAIT Teramo 4-8 maggio 2008 Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario • 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 SAIT Teramo 4-8 maggio 2008 Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario Simulations show that resistive MHD gives elongated (system size) Sweet-Parker layer and very low reconnection rates (Birn et al. 2001) Vi M.F. Marcucci VA SAIT Teramo 4-8 maggio 2008 Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario 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 SAIT Teramo 4-8 maggio 2008 Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario 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. M.F. Marcucci SAIT Teramo 4-8 maggio 2008 Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario 1 Kinetic features of plasma near the X-point Bavassano Cattaneo et al., 2006 M.F. Marcucci SAIT Teramo 4-8 maggio 2008 Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario 350000 km Kinetic features of plasma near the X-point 350000 km Yokoyama, 2001 Bavassano Cattaneo et al., 2006 M.F. Marcucci SAIT Teramo 4-8 maggio 2008 Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario 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 M.F. Marcucci SAIT Teramo 4-8 maggio 2008 Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario 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 SAIT Teramo 4-8 maggio 2008 Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario 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) M.F. Marcucci SAIT Teramo 4-8 maggio 2008 Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario Hall term signatures (Sonnerup 1979): Adapted from Nakamura, 2005 Hall currents system M.F. Marcucci quadrupolar out-of-plane magnetic field SAIT Teramo 4-8 maggio 2008 Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario 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 SAIT Teramo 4-8 maggio 2008 Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario 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 M.F. Marcucci SAIT Teramo 4-8 maggio 2008 Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario Observation of an Elongated Electron Diffusion Region Time Interval 15 s M.F. Marcucci Phan et al. 2007, Shay et al. 2007 SAIT Teramo 4-8 maggio 2008 Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario Observation of an Elongated Electron Diffusion Region Time Interval 15 s M.F. Marcucci Phan et al. 2007, Shay et al. 2007 SAIT Teramo 4-8 maggio 2008 Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario 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 SAIT Teramo 4-8 maggio 2008 Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario 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 M.F. Marcucci SAIT Teramo 4-8 maggio 2008