Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario La fisica delle magnetosfere Ermanno Amata Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario C.N.R. Febbraio-Marzo 2003

Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario Argomenti da trattare 1. La magnetosfere sono regioni dominate dal campo magnetico di un corpo celeste: loro caratteristiche comuni e specifiche. 2. Le magnetosfere stellari (non le tratteremo in particolare). 3. Le magnetosfere planetarie (da Mercurio ai pianeti esterni). 4. L’interazione del vento solare con oggetti celesti non dotati di campo magnetico proprio. Il caso della cometa di Halley. 5. La magnetosfera terrestre e le relazioni Terra-Sole. 5. La magnetosfera terrestre e le relazioni Terra-Sole. La fisica delle magnetosfere

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Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario La magnetosfera terrestre e le sue regioni principali. La fisica delle magnetosfere

Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario La regione di interazione del vento solare con il campo geomagnetico. Da sinistra: Il vento solare L’onda d’urto stazionaria La regione di transizione La magnetopausa Le linee di dipolo compresse Le cuspidi polari La coda geomagnetica e le linee stirate La fisica delle magnetosfere

Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario Cometa di Halley La fisica delle magnetosfere

velocità di emissione radiale vr Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario velocità di emissione radiale vr + rotazione del sole Vento solare e IMF Spirale di Archimede La fisica delle magnetosfere La fisica delle magnetosfere

Vento solare e IMF velocità di emissione radiale vr variabile + Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario Vento solare e IMF velocità di emissione radiale vr variabile + velocità angolare di rotazione solare c costante Spirale di Archimede più o meno evidente sul piano dell’eclittica La fisica delle magnetosfere

Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario Vento solare Il VENTO SOLARE è un plasma di protoni liberi ed elettroni. È un flusso di materia in allontanamento dal Sole fino a 100 UA a velocità superalfvéniche. Campo magnetico interplanetario generato alla base della corona. Elevata conducibilità elettrica --> congelamento delle linee di forza nel vento solare, che le trasporta via dal Sole. Velocità di Alfvén: velocità di propagazione delle onde caratteristiche dei plasmi, le onde di Alfvén. La fisica delle magnetosfere

Parametri del vento solare all’orbita terrestre (1U.A.) Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario Parametri del vento solare all’orbita terrestre (1U.A.) vr  400 km/s (200-1000 km/s) B  2  10 nT n  1  10 cm-3 Tp  2*104  2*105 K Te  6*104  3*105 K vA  30  150 km/s La fisica delle magnetosfere

Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario La magnetosfere sono regioni dominate dal campo magnetico di un corpo celeste in presenza di un flusso di plasma in moto relativo rispetto ad esso. I fenomeni fisici che caratterizzano le magnetosfere non sono intuitivi, poiché il plasma non fa parte della nostra esperienza quotidiana. La fisica delle magnetosfere

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Relazioni Sole-Terra Sole Vento solare Magnetosfera Ionosfera E. Amata, IFSI/CNR Relazioni Sole-Terra Vento solare Sole Magnetosfera Scambio di plasma Correnti allineate Proiezione di E lungo B UV Ionosfera Effetto Joule Interazioni ioni-neutri Radiazione e.m. Atmosfera Accademia dei Lincei, 10 ottobre 2002.

Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario Una macchia solare La fisica delle magnetosfere

Vento solare lento e veloce E. Amata, IFSI/CNR Vento solare lento e veloce Buchi coronali Linee di B chiuse Vento veloce (alla Terra): 700 km/s, 3 cm-3, 2 ·105 K Vento lento (alla Terra): 400 km/s, 8 cm-3, 4 ·104 K Il vento solare visto da Ulisse (09/1994 – 07/1995) Accademia dei Lincei, 10 ottobre 2002.

Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario Avvicinandosi nuovamente al minimo solare Ulisse osserva il ricostituirsi della regione di vento veloce ad alta latitudine eliosferica. Al minimo solare Ulisse osserva ampie regioni di vento veloce ad alta latitudine eliosferica. Al massimo solare Ulisse non osserva il vento veloce ad alta latitudine eliosferica.. La fisica delle magnetosfere

Onda d’urto stazionaria Magnetopausa E. Amata, IFSI/CNR Onda d’urto stazionaria Magnetopausa Coda geomagnetica Vento solare Foglio di corrente Dipolo geomagnetico Veniamo dunque al caso specifico dell’int. fra vento solare e magnetosfera. Quando il vento solare arriva all’altezza dell’orbita terrestre ha una velocità, in media di …, una densità di …, e porta con sé un campo magnetico di … . In prossimità della Terra la presenza del campo geomagnetico deflette il flusso del vento solare: il tenue plasma magnetosferico permeato dall’intenso campo geomagnetico ed il più denso ventosolare permeato dal campo magnetico interplanetario non possono compenetrarsi: i due plasmi rimango separati da una superficie: la magnetopausa terrestre che non è altro che uno strato di corrente attraverso il quale si realizza il cambiamento di topologia del campo magnetico. Il vento solare distorce la topologia del campo geomagnetico, che in assenza del vento solare sarebbe molto simile a quella di un dipolo. D’altra parte il vento solare si trova a dover fluire intorno alla magnetopausa: poiché la sua velocità è supersonica si genera un’onda d’urto attraverso la quale il vento solare viene frenato e gran parte dell’energia cinetica del vento solare viene trasformata in energia termica. La regione fra l’onda d’urto e la magnetopausa viene chiamata regione di transizione (magnetosheath) ed è caratterizzata da una densita più alta di quella del vento solare e anche da un campo magnetico più intenso. La magnetopausa dunque può essere pensata come la superficie che separa la magnetosfera terrestre, regione in cui è confinato il campo geomagnetico e il vento solare. Il vento solare: esso non può attraversare tale superficie e giungere a terra. Due regioni eccezionali riguardo a ciò sono le cuspidi, che per la particolare topologia del campo magnetico, permettono un più facile accesso al vento solare. Sono regioni ancora poco esplorate e sede di processi ancora sconosciuti. Posizione del naso della magnetopausa: Press. Dinamica=kpressione termica=2Bdipolo/2muzero Regione di transizione Accademia dei Lincei, 10 ottobre 2002.

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Correnti nella magnetopausa Mantello Cuspide esterna Cuspide Polare settentrionale Ionosfera Lobo settentrionale Entry Layer Plasma sheet Plasmasfera LLBL PSBL Vento solare Correnti allineate Corrente nella magnetopausa Corrente ad anello Magnetopausa Corrente del foglio neutro Cuspide polare meridionale

Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario LLBL La fisica delle magnetosfere

Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario La magnetopausa La magnetopausa è una superficie 3D, grosso modo un paraboloide di rotazione intorno alla retta Terra-Sole. Essa racchiude la magnetosfera in cui è, in prima approssimazione, confinato il campo geomagnetico. Il suo punto subsolare, sua intersezione con la retta Terra-Sole, si trova in media a 10 RT dal centro della Terra. La sua posizione esatta si calcola eguagliando la pressione totale del vento solare all’esterno con quella all’interno di essa. Lo spessore della magnetopausa è dell’ordine del raggio di Larmor dei protoni, ……………… La magnetopausa sulle cuspidi è incavata verso l’interno per la presenza di una regione di plasma del vento solare accumulato nella cosiddetta “cuspide esterna”. Alla magnetopausa si ha la riconnessione del campo magnetico del vento solare con quello terrestre. In conseguenza della riconnessione alla magnetopausa, si formano regioni sulla magnetopausa, soprattutto nelle regioni polari, attraverso cui le linee di forza del campo geomagnetico si estendono nel vento solare. Il plasma che, in vario modo, penetra attraverso di essa crea immediatamente al suo interno: il mantello, lo strato di ingresso (Entry Layer), il Low Latitude Boundary Layer (LLBL). Analogamente, plasma magnetosferico, e.g. fasci di O+ ionosferico, penetra in modo intermittenente attraverso di essa nel vento solare della regione di transizione e ne viene trasportato via. La fisica delle magnetosfere

Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario Struttura della magnetopausa La fisica delle magnetosfere

Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario Le cuspidi polari Le cuspidi polari sono due regioni a forma di imbuto che, nel piano meridiano contenente la retta Terra-Sole, separano le linee di forza del settore giorno da quelle del settore notte. In corrispondenza delle cuspidi, la magnetopausa è incavata verso l’interno per la presenza di una regione di plasma del vento solare accumulato nella cosiddetta “cuspide esterna”, limitata da una discontinuità nel flusso della regione di transizione di natura ancora oggetto di studio. La fisica delle magnetosfere

Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario Sistema di correnti elettriche e linee di forza del campo magnetico alla magnetopausa La fisica delle magnetosfere

L’aurora vista da terra … … e dallo spazio.

La riconnessione alla magnetopausa e nel foglio neutro della coda E. Amata, IFSI/CNR La riconnessione alla magnetopausa e nel foglio neutro della coda Bz < 0 Bz > 0 Accademia dei Lincei, 10 ottobre 2002.

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Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario Densità di alcune specie ionosferiche La fisica delle magnetosfere

Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario La ionosfera La ionosfera è così detta perché le sue molecole sono ionizzate in misura tale da essere dominata da fenomeni elettromagnetici. Convezione del plasma con V = E x B Correnti di Hall e Pedersen perpendicolari a B Fattori ionizzanti La fisica delle magnetosfere

nin << wgi nen < < wge nin ~ wgi nin > > wgi E. Amata, IFSI/CNR nin << wgi nen < < wge Gli ioni subiscono il trascinamento E x B come gli elettroni Gli elettroni subiscono il trascinamento E x B  corrente di Hall fino a che nin << wgi poi convezione  convezione del plasma nin ~ wgi Gli ioni non girano intorno a B e seguono E^ (corrente di Pedersen) nin > > wgi Gli ioni non girano intorno a B né riescono a seguire E^ ma seguono i neutri Accademia dei Lincei, 10 ottobre 2002.

Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario Alcuni collegamenti a siti www su argomenti connessi. Da questi siti si può facilmente arrivare a qualunque altro sito che tratti tali argomenti. http://www.oulu.fi/~spaceweb/textbook/ http://sci.esa.int/home/spacetopics/index.cfm http://lws.gsfc.nasa.gov/ http://ilws.gsfc.nasa.gov/ilws_resources.htm http://superdarn.jhuapl.edu/ La fisica delle magnetosfere

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