60
« Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University of Orleans, and Cluster colleagues S. Bale, M. Balikhin, P. Decreau, T. Horbury, H. Kucharek, V. Lobzin, M. Dunlop, M. Scholer, S. Schwartz, S. Walker and others

« Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

«  Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les

satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial

LPCE / CNRS-University of Orleans,

and

Cluster colleagues

S. Bale, M. Balikhin, P. Decreau, T. Horbury, H. Kucharek, V. Lobzin, M. Dunlop, M. Scholer, S.

Schwartz, S. Walker

and others

Page 2: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

Collisionless shocks : new results from Cluster

Plan

1. Shocks in space plasmas and in astrophysics

2. Opened questions in shock physics

3. Simulations and theory

4. Multi-point measurements, what can they add to single satellite studies in space: Cluster mission

5. Small scale structure of the electric fields

6. Problem of stationarity

7. Problem of particle acceleration.

Page 3: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

Collisionless shocks: new results from Cluster

Supernova remnant in Magellan cloude

Page 4: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University
Page 5: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

Collisionless shocks : new results from Cluster

Earth’s bow shock

Tsurutani and Rodriguez, 1981

Page 6: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

MHD BLAST WAVES FROM POINT AND CYLINDRICAL SOURCES: COMPARISON WITH OBSERVATIONS OF EIT WAVES AND DIMMINGS

Page 7: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University
Page 8: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University
Page 9: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

Collisionless shocks : new results from Cluster

From Giacalone et al.,

Page 10: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University
Page 11: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University
Page 12: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

Collisionless shocks : new results from ClusterQuasiperpendicular shock

Thermalisation Variability Particle Acceleration

scales

electrostatic potential

ion reflection

species

Partition

fine structure

structure

(ripples ?)

Response to upstream conditions

non-stationarity

ion acceleration

electron acceleration

Page 13: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

Notion de 2 nombre de Mach critique

• 1985: Krasnoselskikh, Nonlinear motions of a plasma across a magnetic field, Sov. Phys. JETP

• 1986: Arefiev, Krasnoselskikh, Balikhin, Gedalin, Lominadze, Influence of reflected ions on the structure of quasi-perpendicular collisionless shock waves, Proceesings of the Jiunt Varenna-Abastumani International School-Workshop on Plasma Astrophysics, ESA SP-251

• 1988: Galeev, Krasnoselskikh, Lobzin, Sov. J. of Plasma Physics

• 2002: Krasnoselskikh, Lembege, Savoini, Lobzin, Physics of Plasmas

Page 14: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University
Page 15: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

Second critical Mach number

Page 16: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

Conséquences:

• Pour les nombres de Mach « avant critiques » apparition des structures de petites échelles

• Variation des amplitudes des élements de la structure : « overshoot », « downshoot » et cetera

• Apparition des multiples « fronts»• Différence de la structure vus par

différents satellites

Page 17: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

Courtesy of Manfred Scholer

Page 18: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

Courtesy of Manfred Scholer

Page 19: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

Courtesy of Manfred Scholer

Page 20: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

Velocity of a planar boundary (normal vector n)

from individual SC times and positions at the crossings

(ra – r4 ) n = V (ta - t4)

Analysis methods for Multi-Spacecraft dataG.Pashman and P. Daly, Eds.

V

24 / 08 / 01

n

7/23

‘four points’ derived vectors (1)

Page 21: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

Spatial gradient of density

Least square estimation, from the four positions rand the fourdensity values na at a given time

‘four points’ derived vectors (2)

n

24 / 08 / 01

n

7/23

Page 22: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

Shock questions• Reformation• Variability• Details of the shock transition• How do scales of parts of the shock vary with shock

parameters (Mach number, BN, etc)?

• Which parts of the shock transition are variable?

Cluster:• Timings shock orientation and speed• Multiple encounters with same shock average

profile, variability

Page 23: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

Small scale electric field structuresData Sources

Electric field from EFW– Sampling 25 Hz– 2 components in the spin

plane

Magnetic field from FGM– Resolution 5s-1

– Timing normals

Density from WHISPER

Page 24: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

Small scale electric field structureNormal Incidence Frame

Shock frame moves with a velocity VNIF in the plane tangential to the shock such that the upstream flow is directed along the shock normal

Walker et al., 2005

Page 25: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

Vsh=115kms-1 n=(0.96, -0.23, 0.13) θBn~77 deg Ma~2.8

Page 26: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

Vsh=49kms-1 n=(0.94, -0.17, 0.29) θBn~77 deg

Page 27: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University
Page 28: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

Scale size of spike-like features

Walker et al., 2005

Page 29: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

Scale size V MaWalker et al., 2005

Page 30: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

ΔE V θBn

Walker et al., 2005

Page 31: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

•Problem of Stationarity

Page 32: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

Horbury et al., 2001

Page 33: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

A typical shock• Select several

shocks• Must have similar

profiles at all four spacecraft

• No nearby solar wind features

• Feb-May 2001• 600 km

separations• 33 shocks in set

Horbury et al. 2001

Page 34: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

Averaging the profile

• Synchronise at four spacecraft normal, speed

• Plot in shock coordinates

• Some variability between spacecraft, but large scale structure similar

• MA~3.9

BN~87º

• Mcrit1=4.3; Mcrit2=6.1

Horbury et al., 2001

Page 35: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University
Page 36: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

Enhancement of |B|• |B| for shock, at peak

and downstream, relative to upstream value

• Dependence of peak value on MA

Up

Down

UndershootPeak

Courtesy of Tim Horbury

Page 37: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

Shock overshoot and undershoot• How big are the

overshoot and undershoot amplitudes?

• Plotted relative to downstream |B|

• Uses average profile

Up

Down

UndershootPeak

Courtesy of Tim Horbury

Page 38: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

Shock ramp scale

• MA~1.9

BN~88º

• Average ramp profile often well described by exponential rise

• Fit scale of ramp

• Note: fitted “scale” is not total size of shock

• 6 of 33 shocks do not have “good” ramps

Courtesy of Tim Horbury

Page 39: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

Shock ramp scale

• Ramp scale increases with MA and with less perpendicular shocks

• Note: absolute values uncertain

Courtesy of Tim Horbury

Page 40: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

Regions of variability• MA~3.2

BN~75º

• Critical MA ~ 1.7, 2.4

• Measurements up to 18s apart

• Variability in foot amplitude, peak waves

• Different undershoot scale

Courtesy of Tim Horbury

Page 41: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

Variability of the shock ramp

• Cross-correlate profiles through shock ramp

• Poor statistics• Significant: normal-

perpendicular field components decorrelate with time, not space: waves?

• Field magnitude does not significantly decorrelate on these time and space scales

Courtesy of Tim Horbury

Page 42: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

Variability of the peak |B|• Peak |B| for each

spacecraft, relative to peak |B| in averaged profile

• Higher variability at larger MA

• Evidence of reformation

Up

Down

UndershootPeak

Courtesy of Tim Horbury

Page 43: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

Summary for problem of non-stationarity

• Measurements at 600 km separations• Four profiles “average” shock profile• Variability of overshoot and undershoot amplitudes

• Exponential ramp, scale ~c/pi, increases with Mach number

• Variability of peak |B|, higher with higher Mach number• Evidence for temporal, rather than spatial, variability of shock front

Future:• Compilation of shock list (CIS/FGM/EFW/WHISPER, …) better

statistics• Variability of parts of the shock

Courtesy of Tim Horbury

Page 44: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University
Page 45: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

Courtesy of Steve Schwartz

Page 46: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

Courtesy of Steve Schwartz

Page 47: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

Courtesy of Steve Schwartz

Page 48: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

• Problem of energetic particles acceleration

Page 49: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

Collisionless shocks: new results from Cluster(from Kis et al., 2004)

N(c

m-

3)

0.02

0.01

0

20

0

-20

B (

nT

)

0

-400

-800

Vsw

(km

/sec

)

Bx,By,Bz

18 February 2003

12 14 16 18 20 22

Page 50: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

Collisionless shocks:new results from Cluster Energetic particles (from Kis et al., 2004)

24-32 keV

10-1

10-2

10-3

10-4

0 2 4 6 8 10

ener

get

ic p

arti

cles

den

sity

(cm

-

3)

Distance from the shock (RE)

Page 51: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

Collisionless shocks: new results from Clusterfrom Kis et al., 2004

0 10 20 30 40

Energy (keV)

E-f

old

ing

dis

tan

ce (

Re)

4

3

2

1

0

Page 52: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University
Page 53: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

Double/Triple peaked spectra

- Corresponding spectra often show two Langmuir peaks of comparable amplitude and sometimes (if instrumental constraints allow) a weaker low frequency wave.- The frequencies of this triplet often satisfy the resonance condition fLF = fHF1 + fHF2

Page 54: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University
Page 55: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University
Page 56: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

0 7 :0 4 .5 0 7 :0 5 0 7 :0 5 .5 0 7 :0 6 0 7 :0 6 .5 0 7 :0 7

h o u r : m in (U T )

0

10

20

B, n

T

S C 3

Fre

qu

ency

, kH

z

Page 57: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

Electron differential energy flux versus energy and pitchangle and the corresponding electric field spectra (a) near the forward edge of the electron foreshock, at 07:04:29-07:04:33 UT, and (b) deeper, at 07:05:13-07:05:17 UT.

1 0 2 0 3 0 4 0f, k H z

10

10

10-4

10-5

10-6

0 10 20 30 40f, k H z

Ene

rgy

(eV

)

Ele

ctro

n en

ergy

flux

, er

g cm

-2 s

-1 e

V-1

sr

-1

Energy (eV ) Energy (eV )

log 10

( E

/ E

max

) (a) (b)

10 -2

1

10 -1

10 -3

1

10 -1

10 -2

10 -3

103

102

102

103

Page 58: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

Instability of electron cyclotron waves due to loss-cone distribution of reflected/accelerated electrons.

0 100 200 300kV TeBe

4 9

5 0

9 9

1 0 0

1 4 9

1 5 0

1 9 9

2 0 0

- 0 . 0 8

0

- 0 . 0 8

0

- 0 . 0 8

0

- 0 . 0 8

0

Be Be

1 1.5vperp / V Tc

0

2

40 80 120 160obsB e

0.02

0.03

0.04

0.2 0.4 0.6obspcBe

g (vperp / V Tc )(a)(b)

(c)

Page 59: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

Reduced distribution functionsfor Nr/Nc = 0.03 and different beam temperatures

1 1.1 1.2 1.3 1.4V / VTc

0.35

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

F

Tr / Tc = 0.1Tr / Tc = 0.01Tr / Tc = 0.001

Page 60: « Chocs sans collisions : étude d’objet astrophysique par les satellites Cluster » Vladimir Krasnoselskikh + équipe Plasma Spatial LPCE / CNRS-University

Conclusions

• The observed loss-cone feature is always accompanied by electrostatic waves with frequencies well below the local plasma frequency.

• The downshifted oscillations can result from a loss-cone instability of electron cyclotron or electron-sound modes rather than a beam instability of the Langmuir and/or beam modes.