Cluster Reveals Properties of Cold Plasma Flow May 15, 2009 Erik Engwall.
-
Upload
rigoberto-rogers -
Category
Documents
-
view
215 -
download
2
Transcript of Cluster Reveals Properties of Cold Plasma Flow May 15, 2009 Erik Engwall.
Cluster Reveals Properties of
Cold Plasma FlowMay 15, 2009
Erik Engwall
Erik EngwallMay 15, 2008
Outflows from the ionosphereVsc ~ 20-40 V > E ion ~ 0-10 eV
Chappell et al. [1987,2000]
Erik EngwallMay 15, 2008
Outflows from the ionosphere
Chappell et al. [1987,2000]
Erik EngwallMay 15, 2008
Model
Wake formation in flowing plasmas
Erik EngwallMay 15, 2008
Studies of wake formationIon density (normalized)
Potential [V]
100 m
(Engwall et. al, 2006)
200 m150 m100 m
50 m
150 m
0 m
100 m
50 m
150 m
0 m
100 m
250 m 300 m50 m0 m
200 m150 m100 m 250 m 300 m50 m0 m
0.8
0.6
0.4
1
0.2
Erik EngwallMay 15, 2008
QuickTime och en-dekomprimerare
krävs för att kunna se bilden.
Model
Wake formation in flowing plasmas
QuickTime och en-dekomprimerare
krävs för att kunna se bilden.
EFW & EDI
EDI
FGM
Wake field assumed to be in flow direction: Ewake = g(u,…) u
Velocity calculation cross-validated with CIS in low-energy mode and ASPOC operating.
Erik EngwallMay 15, 2008
Model
Wake formation in flowing plasmas
QuickTime och en-dekomprimerare
krävs för att kunna se bilden.
EFW & EDI
EDI
FGM
Wake field assumed to be in flow direction: Ewake = g(u,…) u
The plasma density is obtained from the spacecraft potential (Pedersen et al., 2008)
The outward flux, nu//, is now given!
(We cannot separate different ion species, but we see mainly H+)
Velocity calculation cross-validated with CIS in low-energy mode and ASPOC operating.
Erik EngwallMay 15, 2008
Statistical study1 s/c, July - October 2001-2005, 765.000 data points
QuickTime och en-dekomprimerare
krävs för att kunna se bilden.
QuickTime och en-dekomprimerare
krävs för att kunna se bilden.
Erik EngwallMay 15, 2008
Statistical study1 s/c, July - October 2001-2005, 765.000 data points
QuickTime och en-dekomprimerare
krävs för att kunna se bilden.
Erik EngwallMay 15, 2008
Geographical distribution
QuickTime och en-dekomprimerare
krävs för att kunna se bilden.
QuickTime och en-dekomprimerare
krävs för att kunna se bilden.
QuickTime och en-dekomprimerarekrävs för att kunna se bilden. QuickTime och en-dekomprimerarekrävs för att kunna se bilden.
Erik EngwallMay 15, 2008
Geographical distribution
QuickTime och en-dekomprimerare
krävs för att kunna se bilden.
QuickTime och en-dekomprimerare
krävs för att kunna se bilden.
QuickTime och en-dekomprimerare
krävs för att kunna se bilden.
cm-3
QuickTime och en-dekomprimerare
krävs för att kunna se bilden.
QuickTime och en-dekomprimerare
krävs för att kunna se bilden.
(Engwall et. al, [2006], Paper V)
Erik EngwallMay 15, 2008
QuickTime och en-dekomprimerare
krävs för att kunna se bilden.
Outflow properties
QuickTime och en-dekomprimerarekrävs för att kunna se bilden.QuickTime och en-dekomprimerarekrävs för att kunna se bilden.
QuickTime och en-dekomprimerarekrävs för att kunna se bilden.
Erik EngwallMay 15, 2008
Solar and magnetic activity Clear dependence on solar radiation
and geomagnetic activity
Driving solar wind parameters are– Magnitude of the magnetic field– Solar wind dynamic pressure, nmv2
QuickTime och en-dekomprimerare
krävs för att kunna se bilden.
Erik EngwallMay 15, 2008
Comparison to previous results
QuickTime och en-dekomprimerare
krävs för att kunna se bilden.
Polar @ 8 RE(Su et al. [1998])
Cluster study
Erik EngwallMay 15, 2008
QuickTime och en-dekomprimerare
krävs för att kunna se bilden.
Comparison to previous results
Very good agreement to previous values:• Confirms continuation of ionospheric outflows farout in the magnetotail lobes• Ionosphere supplies plasma to magnetosphere
• Cold ion outflow dominates
(Engwall et al., 2009)
Erik EngwallMay 15, 2008
Conclusions Powerful new method: cold plasma flows
inferred from spacecraft wakes.
Cold ions dominate in large parts of the magnetosphere, both in flux and density
Cold plasma outflow constitutes a major part of the net loss from the Earth
–1026 protons/s are lost from the planet through high-latitude low-energy outflow processes.
+ recent results from Mars Express
Cold plasmas around planetary bodies much more important than previously thought
Erik EngwallMay 15, 2008
QuickTime och en-dekomprimerare
krävs för att kunna se bilden.
Outflows from the ionosphere
Chappell et al. [1987,2000]
QuickTime och en-dekomprimerare
krävs för att kunna se bilden.
<8 RE
Cluster
Solar cycle
Satellite missions
Erik EngwallMay 15, 2008
Previous detections in magnetotail
Cold ions in plasma sheet visible due to high flow speed on Cluster (Sauvaud et al. [2001])
QuickTime och en-dekomprimerare
krävs för att kunna se bilden.
Acceleration makes ions visible
Other examples:
• GEOTAIL: Hirahara et al. [1996], Mukai et al. [1994]
• Polar: Liemohn et al. [2005]
E (eV)
Erik EngwallMay 15, 2008
Previous detections in magnetotailObservations of cold plasma sheet ions when Geotail in eclipse (Seki et al. [2003]).
QuickTime och en-dekomprimerare
krävs för att kunna se bilden.Detection of low-energy ions (<50 eV)
9 eV
Cold ions in geomagnetic tail lobes (Engwall et al. [2006], Paper 3)
Erik EngwallMay 15, 2008
Geographical distribution
QuickTime och en-dekomprimerare
krävs för att kunna se bilden.
QuickTime och en-dekomprimerare
krävs för att kunna se bilden.
QuickTime och en-dekomprimerare
krävs för att kunna se bilden.
cm-3
Quick
Tim
e o
ch e
n-d
ekom
prim
era
rekrä
vs fö
r att ku
nn
a s
e b
ilden
.
06
18
1200
Cross-polar cap potential[Haaland et al., 2007]
Erik EngwallMay 15, 2008
Geomagnetic activity
QuickTime och en-dekomprimerare
krävs för att kunna se bilden.
DE-1Akebono
ClusterQuickTime och en-dekomprimerare
krävs för att kunna se bilden.
Model for flow velocity from wake
• Unmagnetized ions on wake length scale ⇨ Spurious field is in flow direction ⇨
Ewake = g(u,…) u • Frozen-in conditions apply• EDI data are good
⇨ u┴
= EEDI × B / B2
We get
g and u// can now be obtained from the electric field components of EDI and EFW.
Ewake = EEFW - EEDI = g u┴
+ g u// B/B
Comparing flow velocities from particle and electric field data
The derived velocity from the wake (red) shows good agreement with the corrected velocity for H+ from CODIF (black).
Thus, the wake method to derive flow velocity of cold plasma works and can be used in regions where ions are inaccessible to particle detectors.
Measurements from SC1 and SC3
High s/c potential will shield out the plasma ions.
Few ions will thus reach CIS and the density is underestimated
At the same time E-field measurements differ from EDI and EFW. Why? Because of spacecraft wake.
Measurements from SC4
Artificial spacecraft potential control reduces the potential to +7 V, and some of the H+ ions will become visible!
Flow aligned with B, which is expected for outflows in the polar wind.
The velocity of the H+ is possible to measure due to low s/c potential. (The lowest velocities are mis-sing due to the instrument low-energy cutoff.)