Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario M.F. Marcucci SAIT Teramo 4-8 maggio 2008 Nuove conoscenze sulla riconnessione magnetica dai dati della.

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1 Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario M.F. Marcucci SAIT Teramo 4-8 maggio 2008 Nuove conoscenze sulla riconnessione magnetica dai dati della missione Cluster. dai dati della missione Cluster. M.F. Marcucci

2 Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario M.F. Marcucci SAIT Teramo 4-8 maggio 2008 Outline Introduzione 3 esempi di osservazioni di Cluster durante la riconnessione Prospettive future

3 Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario M.F. Marcucci SAIT Teramo 4-8 maggio 2008 La riconnessione magnetica converte rapidamente lenergia 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 tuttoggi, domande fondamentali riguardanti questo processo non hanno risposta.

4 Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario M.F. Marcucci SAIT Teramo 4-8 maggio 2008 Simulations show that resistive MHD gives elongated (system size) Sweet-Parker layer and very low reconnection rates (Birn et al. 2001)

5 Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario M.F. Marcucci SAIT Teramo 4-8 maggio 2008 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.

6 Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario M.F. Marcucci SAIT Teramo 4-8 maggio 2008 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 regions. During 2004-2007 operated together with the ESA-CSNA Double Star mission. IFSI participated in the design and development of the plasma analyzers in the framework of an international collaboration.

7 Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario M.F. Marcucci SAIT Teramo 4-8 maggio 2008 ~ 3000 km Kinetic features of plasma near the X-point Bavassano Cattaneo et al., 2006 1

8 Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario M.F. Marcucci SAIT Teramo 4-8 maggio 2008 ~ 3000 km Kinetic features of plasma near the X-point 350000 km Bavassano Cattaneo et al., 2006 Yokoyama, 2001

9 Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario M.F. Marcucci SAIT Teramo 4-8 maggio 2008 Retinò et al. 2005, Bavassano Cattaneo et al. 2006 Reconnection is continous while large scale conditions changes C1 C3 C4 MP E VnVn VtVt

10 Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario M.F. Marcucci SAIT Teramo 4-8 maggio 2008 Retinò et al. 2005, Bavassano Cattaneo et al. 2006 Reconnection is continous while large scale conditions changes C1 C3 C4 Spacecraft Separation 1000 km Time Interval 4 hours

11 Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario M.F. Marcucci SAIT Teramo 4-8 maggio 2008 The Hall term enables fast reconnection also in collisionless plasma (Birn et al. 2001) Two component plasma full generalized Ohms law Physics of the diffusion region

12 Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario M.F. Marcucci SAIT Teramo 4-8 maggio 2008 Adapted from Nakamura, 2005 Hall currents system quadrupolar out-of-plane magnetic field Hall term signatures (Sonnerup 1979):

13 Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario M.F. Marcucci SAIT Teramo 4-8 maggio 2008 Cluster resolve the spatial and temporal ambiguity always present in the single spacecraft measurements and observe unambiguously the Hall term signature. 2D two fluid MHD numerical simulation of the diffusion region and Cluster configuration. Spacecraft Separation 100 km Time Interval 4 s Hall magnetic field observations Vaivads et al. 2004 2

14 Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario M.F. Marcucci SAIT Teramo 4-8 maggio 2008 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 l i A super-Alfvenic outflow jet of electrons extending 10s of l i Phan et al. 2007, Shay et al. 2007 3

15 Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario M.F. Marcucci SAIT Teramo 4-8 maggio 2008 Time Interval 15 s Observation of an Elongated Electron Diffusion Region Phan et al. 2007, Shay et al. 2007

16 Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario M.F. Marcucci SAIT Teramo 4-8 maggio 2008 Time Interval 15 s Observation of an Elongated Electron Diffusion Region Phan et al. 2007, Shay et al. 2007

17 Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario M.F. Marcucci SAIT Teramo 4-8 maggio 2008 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 Unanswered Questions

18 Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario M.F. Marcucci SAIT Teramo 4-8 maggio 2008 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