N . André Institut de Recherche en Astrophysique et en Planétologie, IRAP, Toulouse, France

1. Transport du plasma dansunemagnétosphère en rotation rapide N. André Institut de Recherche en Astrophysique et en Planétologie, IRAP, Toulouse, France nicolas.andre@cesr.fr Atelier exploration radio, plasma et UV des magnétosphères de Jupiter de de Ganymède Meudon, France, 14-15 Mars 2011

2. Magnétosphères en rotation rapide Plasma pickup Vinj = Vcorotation - Vmoon Vmoon 10 km/s Vcorotation 35 km/s 1)Unefoiscréé, le plasma estpiégé par le champ magnétique et entraîné en rotation 2)Centrifugationdu plasma &étirement des lignes de champ création d’un disque mince magnétisé demi-échelle de hauteur (1-2 Rp) 3)D’unecréation locale au voisinage de ses sources à la redistribution globaleobservée(transport)

3. Sources de plasma à Jupiter Activité volcanique à Io (Voyager) 1 ton/s La densité locale augmente vers l’intérieur du système

4. Composition du plasma Jovien Tore de gaz neutre de Io (UV) Mesures locales du plasma dans le tore (ions lourds dérivés S, 0, …)

5. Cassini CHEMS Comment expliquer l’homogénéité relative observée (composition) ?

6. Fil conducteur Comment des plasmas créés dans le vent solaire, dans la haute atmosphère des planètes, et surtout par leurs satellites (Io à Jupiter) alimentent-ils l’ensemble de la cavité magnétique, diffusent-ils radialement, sont-ils accélérés et finalement recombinent ? Avec ou sans changement de topologie magnétique Régions sources Régions puits Transport Problème clé en physique magnétosphérique Recirculation du flux magnétique

7. Energetic Particle Recycling Takenfrom F. Bagenal After Thorne (1983)

8. Transport radial du plasma • Comment expliquer la redistribution globale observée du plasma • alors qu’il est créé localement très à l’intérieur du système ? • nécessité d’un transport radial vers l’extérieur du système • à travers les lignes de champ magnétique fermées • Un mécanisme possible: l’instabilité d’échange • de type Rayleigh-Taylor (RT) • Analogie hydrodynamique • Force centrifuge • (magnétosphère en rotation rapide)

9. Transport radial du plasma Echange de tubes de flux • De la modélisation théorique de l’instabilité • critère d’instabilité • à l’identification de ses signatures • observationnelles (Cassini à Saturne) • fréquence magnétique de Brunt-Väisäla

10. Gravity only • Straight magneticfield • The thermal pressure gradient has no direct impact • The thermal pressure itself has a stabilizingeffect • In the cold plasma approximation

11. Curvatureonly

12. Applications à Jupiter

13. Takenfrom N. Krupp

14. Observations Echange de tubes de flux • Identification de ses signatures • observationnelles avec Cassini (et Galileo)

15. Simulations numériques Rice convection model Liu et al., JGR, 2010 Bon accord avec les observations Cassini/CAPS à Saturne ‘Io fingers’ Yang et al., 1994

16. Energetic Particle Recycling 3 - Energetic Particle Recycling Takenfrom F. Bagenal After Thorne (1983)

17. Energetic Particle Recycling • Energetic Neutral Atoms - charge exchange • S+ + O -> O+ + • 50-80 KeV/nucleon • Few % of torus’ 1 ton/sec Cassini MIMI S* • Re-ionization of fast neutral wind • Cassini/MIMI saw pick-up ions • > 2 AU from Jupiter • H+, He++, He+, O+, S+ Molecules?! Krimigis et al. Takenfrom F. Bagenal

18. Energetic Particle Recycling Sodium • Extended Fast/Energetic Neutral Wind • Sodium - ground-based telescopic observations of scattered sunlight - cold neutral wind from charge-exchange of torus ions • MIMI observations of hot neutral sulfur and oxygen (molecules?) from charge-exchange of radiation belt particles >2 AU away Mendillo et al. Krimigis et al. Takenfrom F. Bagenal

19. Magnétosphères en rotation rapide Saturne (McAndrews et al., 2009) Jupiter (Krupp et al., 2007) Mouvement du plasma principalement dans la direction de corotation (50 Rj, 15 Rs)

20. Conservation du moment angulaire • Equation du mouvement Laplace centrifuge Coriolis Projetée (sphérique) Composante azimutale du champ Sous-corotation du plasma ( ) => if >0, diminue (sous-corotation) => Milieu en rotation différentielle

21. ‘Substorm-like’ dynamics

22. Pertes du plasma • Etirement / pincement • des lignes de champ magnétique • Ouverture et expulsion du plasma • Reconnexion • dans la queue Vent planétaire Vent solaire Fukazawa, 2004

23. Takenfrom N. Krupp

24. McComas et al., Sci, 2007 Observations Plasmoids • Identification de ses signatures • observationnelles avec New Horizons

25. Summary Takenfrom the Jupiter book

26. Echappement d’électrons relativistes IMP8 data atEarth Owens et al., ApJ, 2010

27. Résumé: sources de neutres & plasma

28. Conclusions • Limited set of observations obtained (betteratSaturn) • Small pieces of the puzzle have been revealedfrom Galileo observations • but the overallpictureisstillmissing • Links between the various ‘modes’ of transport to beidentified • Connection(s) between the inner, middle and outermagnetosphere • Internally-drivendynamicsa priori but the exact role of the solarwind • remains to bedetailed • Lessons to belearntfrom comparative studiesbetweenSaturn, Jupiter • and the Earth