El entorno espacial terrestre

Sergio Dasso1,2 1 Instituto de Astronomía y Física del Espacio (IAFE), CONICET-UBA, Argentina

2 Departamento de Física, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, UBA, Argentina

Departamento de Física Juan José Giambiagi

Astropartículas y Física Solar – LAGO. Univ. San Francisco de Quito, 20-24 enero, 2014

Clase 4:

•La relación Sol-Tierra •Efectos sobre el entorno terrestre

•La magnetosfera abierta •Corriente de anillo •Atmósfera neutra

•Ionosfera •Partículas energéticas confinadas

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La relación Sol-Tierra • Sabine mostró (1851) una relación entre fluctuaciones geomagnéticas y el ciclo de manchas solares • Lord Carrington observó en 1859 una erupción solar o fulguración y 18 hs mas tarde se detectó una violenta perturbacion geomagnética en la Tierra.

• La explicación de esta correlación es relativamente sencilla: en los máximos de actividad magnética, el Sol produce mas eyecciones de masa, lo cual genera mas tormentas geomagnéticas.

• En nuestro grupo hemos realizado estudios estadísticos de tormentas geomagnéticas, buscando comprender los mecanismos físicos que determinan esta correlación.

• Investigamos tambien la estructura de estas eyecciones, a partir de mediciones in-situ.

Propuesta de Mecanismos Físicos

•Becquerel y Goldstein (~1880): disparo de partículas monocargadas (esto es inestable ...) •Birkeland (~1900): simulaciones con terrela que reproducían la inyección de electrones en la atmósfera y el posterior desarrollo de ‘luminosidades’ (auroras) •Lindeman (~1930) sugirió flujos de plasma neutro

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Effect of ICMEs on comets

April 20, 2007: An ICME strikes Comet Encke (near Mercury’s orbit)

From NASA's STEREO-A probe

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Magnetosfera Abierta 3 Regiones con diferente

topología/conectividad magnética

Cuando la dirección del B interplanetario es sur, se produce

reconección magnética

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Mag

netic

latit

ude

Typi

cal D

MSP

cus

p pl

ume

Magnetosheath E maps to the polar ionosphere as a dawn/dusk EI to drive the twin cell convection

EI

X X E = -v x Bz

E

+

E x B drift

+ - B

Magnetic clouds as geoeffective events (Bz<0)

dDst/dt+Dst/τ=V(t)Bs(t)

Interplanetary input of energy

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•Main key IP properties (Bs & Vx) determine the level of the geo-storm

dDst/dt+Dst/τ=Vx(t)Bs(t)

Ring Current and Dst index

Ring Currrent: H+, O+, e- (energies 10keV-1MeV)

Burton et al., 1975

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Statistical Study (1957-1998): Decay phase of the strongest 300

geomagnetic storms

From [Dasso et al., JGR 2002]

Ring Current decay phase

dDst/dt+Dst/τ=V(t)Bs(t)

Different decay times: different energies and different

relative abundances of ions

O+<H+ due to O+>H+

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Equatorial Ex (Jicamarca Radio Obs) vs scaled IEFy [Kelley et al. [2010]

Pentración de campos eléctricos excepcionalmente fuertes durante super-tormentas

•La supertormenta de Nov 9-10, 2004, perturbó fuertemente magnetosfera/ionosfera/termosfera

•Buen ejemplo para estudiar la compleja cadena de acoplamientos en el sistema

•Ionosfera perturbada globalmente (desde polos hasta ecuador)

Induced E during the passage of Magnetic Cloud E = -v x Bz Expansion

near Earth

From Dasso et al. [2007]

From Kelley et al. [2010]

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Clasificación de las regiones de la atmósfera según perfil de T

Cambios del sgn(T) determinan las regiones

p y varían en más de

10 órdenes de magnitud entre la sup terrestre

y la termopausa

T varía con actividad solar. Su valor determina posición de diversas regiones en alta

atmósfera

Nominal height

Alta atmósfera mucha absorción en UV, radio, X T crece

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Sin embargo, dada la gran densidad de masa en baja

atmósfera (inercia térmica) variaciones en T no influyen temperatura en tropósfera

El perro mueve la cola, pero … la cola puede mover al perro?

Clasificación de las regiones de la atmósfera según perfil de T

Nominal height

Alta atmósfera mucha absorción en UV, radio, X T crece

Cambios del sgn(T) determinan las regiones

p y varían en más de

10 órdenes de magnitud entre la sup terrestre

y la termopausa

T varía con actividad solar. Su valor determina posición de diversas regiones en alta

atmósfera

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Eficiencia de la turbulencia en transporte y mezclado

K es el coeficiente que representa la

‘eddy diffussion’ o difusión turbulenta

( tiempo de difusión turbulenta)

D es el coeficiente que representa la difusión molecular

(D tiempo de difusión molecular)

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Separación de componentes y tasa de colisión

Frecuencia de colisiones ()

Camino libre medio (l)

y l varían mas de 10 órdenes de magnitud !

∑=

=ΜN

ii

i Mnn

1

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Exosfera: Familias de partículas

La localización de la exobase depende críticamente de

(hEB ~ 400 km para T ~ 1000 K)

Como la máquina de hacer popcorn

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La Ionosfera

•Fuerte modulación día/noche (mareas e-m) •Plasmas magnetizado

•Acoplamiento termosfera-ionosfera-magnetosfera intenso en regiones polares

•Dinámica de neutros crucial para dinámica de ionosfera (reservorio partículas neutras a ionizar)

•Material ionizado principalmente por UV solar •Rayos cósmicos galácticos también ionizan durante la noche •La variable dinámica de mayor interés es densidad e- •Tubos de flujo magnético determinan dirección de flujos e- •Durante protones solares ionización de capa D puede alcanzar niveles inusualmente altos en latitudes altas •Modulación magnetosférica de precipitación de partículas afecta tasa de ionización

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Fotones y partículas energéticas ionizan. Entregan energía y momento.

• ¿De donde vienen estas partículas? • ¿ Cuanta energía depositan? • ¿ Como son los mecanismos para permitir su

ingreso al entorno terrestre ? • Acoplamiento con dinámica de us

(fricción con vientos neutros, efecto de B)

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Poblaciones de partículas energéticas: cinturón de radiación, corriente de anillo y plasmasfera (reservorio para ionosfera)

CRAND: protón cósmico llega a atmósfera densa, genera un ‘neutro albedo’

Explosiones atómicas en la atmósfera

también han aumentado la

población de partículas en el cinturón de

radiación

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Diferentes formas de ordenar/clasificar la atmósfera

•Temperatura •Composición

•Transporte vertical •Ligadura

gravitatoria •Propiedades de

ionización (plasma)

Altura nominal (la ubicación de las regiones

depende de T)

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Fin clase 4