Aspects of magnetopause/magnetosphere response to interplanetary discontinuities, and features of magnetopause Kelvin-Helmholtz waves

We describe (i) perturbations of the magnetopause/magnetosphere elicited by an interplanetary discontinuity and (ii) the production of Kelvin-Helmholtz waves on the magnetopause. These are two large topics, so for reasons of space we combine both features in a single data example, supporting the observations by theory. Correspondingly, the observations, made by ACE, consist of an interval in which a current sheet is followed by a period of strongly northward IMF. In view of recent attention directed at the effect of variations of the azimuthal component of the solar wind velocity on the magnetosphere, we chose a current sheet (CS) across which the east-west components of both field and flow vectors change polarity. A two-stage response is evident in the records of Cluster, outbound at the dusk terminator at 27° MLAT: (i) Four cycles of large-amplitude, ~3min oscillations during which the spacecraft sample alternately the cold, dense magnetosheath and the hot and tenuous magnetosphere plasmas. We argue that these motions are likely due to tangential stresses applied to the magnetopause. (ii) Soon thereafter the oscillatory character changes dramatically, and ~80s small-amplitude undulations appear which we argue to be magnetopause surface waves. Applying linear MHD theory we show these waves are due to a locally Kelvin-Helmholtz unstable boundary. As input parameters, we take values during the preceding large oscillations at the same magnetopause locale. An aspect of the non-linear phase of this instability is illustrated by a numerical simulation: the reduced duration of the evolution into large vortices by a strong initial perturbation.Fil: Farrugia, C. J.. University Of New Hampshire; Estados UnidosFil: Gratton, Fausto Tulio Livio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física del Plasma. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física del Plasma; Argentina. Pontificia Universidad Católica Argentina "Santa María de los Buenos Aires". Facultad de Ciencias Fisicomatemáticas e Ingeniería; Argentin

Large amplitude perturbations and waves at the duskside LLBL of the magnetopause generated by an interplanetary tangential discontinuity on December 7, 2000

On December 7, 2000 a joint current sheet and vorticity layer hit the magnetopause (MP) generating large amplitude oscillations, and wave-like perturbations observed by CLUSTER at the near dusk flank. Linear stability theory and MHD numerical simulations support the hypothesis that the waves were due to the Kelvin-Helmholtz (KH) instability. The simulation brings into light novel dynamical properties of the boundary layer under the KH excitation.Fil: Gratton, Fausto Tulio Livio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física del Plasma. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física del Plasma; ArgentinaFil: Farrugia, C. J.. University of New Hampshire at Manchester; Estados UnidosFil: Bilbao, Luis Ernesto. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física del Plasma. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física del Plasma; ArgentinaFil: Gnavi, Graciela Delia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física del Plasma. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física del Plasma; ArgentinaFil: Lund, E. J.. University of New Hampshire at Manchester; Estados Unido

Teoría de la inestabilidad por deslizamiento en los plasmas

El argumento de esta tesis es la teoría de las inestabilidades por deslizamiento en los plasmas. Se estudia la estabilidad de flujos paralelos de plasmas, con velocidad variable en una dirección transversal al fluj. Este tipo de problemas ha sido estudiado en el régimen magnetohidrodinámico por diversos autores, pero solo recientemente se ha escarado su estudio, para otros régimenes de frecuencias, y para otros modelos de plasmas, como los que responden a la ecuación de Boltzmann-Vlasov o a las ecuaciones para dos fluídos, por el autor y otros (ver ref. 29,31,32,34, de la Secc. I). La mayor parde de los modos de oscilación estudiados en este trabajo son de caracter electrostático. El interés en este tipo de problemas se deriva, en parte por su vinculación con cuestiones relativas a la física del espacio interplanetario, en parte por su relación con los problemas de difusión anómala de partículas cargadas a través de un campo magnético, como lo han demostrado los trabajos de D´Angelo (ref. 33 y 34, Secc.I), y en parte, tambien, porque aumentan el caudal de información que se va acumulandoacerca de inestabilidades en plasmas no uniformes. Luego de una breve introducción donde se expone el motivo del trabajo y su conexión con otros problemas afines, la sección II contiene la deducción de las ecuaciones de la inestabilidad por deslizamiento para modos de oscilación electrostáticos. El plasma se supone sin colisiones y se admite la presencia de un campo magnético externo paralelo a la dirección del flujo. Se adopta una geometría plana para el problema. Se consideran funciones de distribución sin dispersión de velocidades transversal al flujo. Los perfiles de densidad y velocidad no estan sujetos a otras restricciones que las de tender a ser constantes en el infinito. La ecuación (II,29) contiene las soluciones de una variedad de problemas que se examinan en las secciones siguientes de la tesis. La sección III contiene el estudio de esta inestabilidad en plasmas fríos, sin campo magnético. En III P.1 se obtiene una serie de propiedades generales de las frecuencias características, válidas para cualquier perfil de velocidades. Se demuestra entre otras cosas que la máxima velocidad de crecimiento puede superar el valor *ver en tesis*. Para el caso de un haz de partículas que atraviesan un plasma en reposo, siendo diferentes las densidades del haz y del plasma, se encuentra una relación de dispersión semejante a la de "dos-haces" para iones y electrones. El papel del cociente de masas en esta última, es jugado, en el caso de la inestabilidad por deslizamiento por el cociente de densidades,haz-plasma. En la sección III, P.3 se estudia un perfil de velocidades para un chorro de plasma. Debido a que la zona de influencia de la oscilación electrostática de cada superficie de discontinuidad, se extiende sobre una distancia del orden de la longitud de onda paralela al flujo, se encuentra que, si la longitud de onda es mucho menor que el diámetro del chorro las oscilaciones de ambas superficies son independientes y se vuelven a obtener los resultados de III, P.2. En cambio cuando la longitud de onda es mayor que el diámetro del chorro se constata que la velocidad de crecimiento de la inestabilidad disminuyo (ver fig.10). Se estudian luego brevemente los modos de oscilación de un chorro cilíndrico. Se comprueba que la interferencia de las oscilaciones de la superficie del chorro no consigue atenuar la inestabilidad de los modos sin simetría azimutal. En la secc.III, P.4 se analiza la relación de dispersión para dos haces adyacentes que viajan en sentido contrario. Las figs. 13 a 16 representan las frecuencias características para diversos valores del diámetro de los chorros. En III, P.5 se trata la estabilidad de una zona de transición entre dos regiones con velocidad constante. La sección IV contiene un análisis de la relación de dispersión para un perfil en escalón para un plasma frío con campo magnético externo. Se demuestra la influencia estabilizadora de campos magnéticos fuertes (ver figs. 22, 27, y 28). Se dan las regiones de existencia de modos de oscilación, en un plano cuyos ejes coordenados representen el número de onda longitudinal y el campo magnético, eliminando soluciones esparias que no satisfacen las condiciones de contorno (ver figs. 20 y 21). Se encuentran tambien modos estables que representan ondas que se propagan perpendicularmente a la superficie de discontinuidad cuando *ver en tesis*. Se estudia además en detalle la distancia de penetración del campo eléctrico de las oscilaciones superficiales (ver figs. 23, 24). La sección V P.l conetiene una breve discusión del mecanismo de la inestabilidad, en ausencia de campo magnético, señalandose la presencia de un proceso de acumulación de cargas eléctricas en superficie. En V P.2 se consideran los modos de oscilación de un perfil en escalón incluyendo un término de presión isótropa en las ecuaciones dinámicas de los electrones. La relación de dispersión se divide en dos ramas, una de las cuales surge con continuidad, a partir de la que corresponde a un plasma frío, aumentando progresivamente la temperatura. En esta rama la temperatura tiende a atenuar la inestabilidad por deslizamiento. La otra rama corresponde a la presencia de un mecanismo hidrodinámico de inestabilidad análoga al que, en los fluidos neutros, tiene lugar en la inestabilidad análoga al que, en los fluidos neutros, tiene lugar en la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz. La máxima velocidad de crecimiento es, en esta rama, igual a *ver en tesis*, mayor que en el caso frío. Sin embargo estos modos tienen una zona de influencia mucho menor que los modos de la otra rama. La amplitud del campo eléctrico de perturbación tiende exponencialmente a cero cuando la temperatura del plasma disminuyo. En la sección VI se estudian flujos de plasma, sin campo magnético, descriptos por funciones de distribución con dispersión de velocidades paralela al flujo. En VI, P.1 se demuestran algunos teoremas generales de estabilidad para estas funciones de distribución. El caso de una discontinuidad en la función de distribución, tratadoen VI, P.2 conduce a una relación de dispersión formalmente idéntica a la de Landau, si se toma el promedio de las funciones de distribución a ambos lados de la discontinuidad como la función de distribución del problema de Landau. Se exponen y resumen luego las bien conocidas propiedades de la relación de dispersión de Landau, empleando un método de análisis diferente del acostumbrado, basado sobre la transformación de Fourier e el espacio de las velocidades. Los resultados se discuten desde el punto de vista de la inestabilidad por deslizamiento (Secc. VI, P.3 y P.4). En los apéndices se discuten brevemente algunos temas vinculados con el texto, o bien se resumen algunos cálculos demasiado largos para ser reproducidos completamente en el texto. Cabe mencionar, en particular, el apéndice n° 2 donde se deducen las ecuaciones para los modos de oscilación electromagnéticos de la inestabilidad por deslizamiento para flujos de plasma relativísticos. Se discute tambien la correspondiente relación de dispersión para el perfil en escalón.Fil: Gratton, Fausto Tulio Livio. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina

Reflexiones de un físico sobre sus creencias religiosas

Reflexiones de un investigador acerca de un orden en la naturaleza de origen trascendente. La fuerza del llamado de Dios en grandes científicos. La religiosidad de James Clerk Maxwell. La especificidad del mundo y de las leyes que lo gobiernan y su interpretación como naturaleza creada. “Pero Tú todo lo dispusiste con medida, número, y peso” (Sb 11, 20). Las ciencias naturales como fuente de inspiración de sentimientos religiosos. “Creer para comprender”.Fil: Gratton, Fausto Tulio Livio. Universidad Católica de Argentina; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentin

The magnetosphere mixing layer: Observations, MHD stability, and large eddy simulations

The work is about the evolution of large vortices in the boundary layer of the terrestrial magnetopause studied by computational physics, in support of interpretive analysis of spacecraft data from an event observed on December 7, 2000. The distinctive features of the configuration examined are i) the very small magnetic shear across the boundary, and ii) the dynamics concerns mainly the vorticity. The magnetic field is only fluted during the process, but it determines the direction of the vortex axis. Considering new elements from computer simulations and observations, an extension of the research of a recent publication in this journal is reported. A magnetohydrodynamic code for large eddy simulations is used to examine the influence of supersonic, and superAlfvénic speeds, on the dynamics of the boundary layer. Correlations of data are studied to identify signatures of the Kelvin-Helmholtz instability, and the presence of whirling plasma. The aim is to improve the understanding of factors that govern the tailward growth of the low latitude boundary layer, and the potentiality of plasma entry into the magnetosphere, during periods of northward interplanetary magnetic field.Fil: Gratton, Fausto Tulio Livio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física del Plasma. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física del Plasma; ArgentinaFil: Bilbao, Luis Ernesto. Pontificia Universidad Católica Argentina ; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física del Plasma. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física del Plasma; ArgentinaFil: Gnavi, Graciela Delia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física del Plasma. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física del Plasma; ArgentinaFil: Farrugia, C. J.. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Física; Argentin

The KH stability of the supersonic magnetopause flanks modeled by continuous profiles for the transition

Two examples of stability analysis of the supersonic magnetopause (MP) flanks, based on compressible, ideal MHD theory are reported. The input parameters for local MP models are derived from spacecraft crossings data. The results emphasize the sensitivity of the Kelvin-Helmholtz instability on fine structure features of the boundary layer.Fil: Gnavi, Graciela Delia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física del Plasma. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física del Plasma; ArgentinaFil: Gratton, Fausto Tulio Livio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física del Plasma. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física del Plasma; ArgentinaFil: Farrugia, C. J.. University of New Hampshire at Manchester; Estados UnidosFil: Bilbao, Luis Ernesto. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física del Plasma. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física del Plasma; Argentin

A Vortical Dawn Flank Boundary Layer for Near-Radial IMF: Wind Observations on October 24, 2001

We present an example of a boundary layer tailward of the dawn terminator which is entirely populated by rolled-up flow vortices. Observations were made by Wind on October 24, 2001 as the spacecraft moved across the region at X -13 RE. Interplanetary conditions were steady with a near-radial IMF. Approximately 15 vortices were observed over the 1.5 hr duration of Wind?s crossing, each lasting 5 min. The rolling-up is inferred from the presence of a hot tenuous plasma being accelerated to speeds higherthan in the adjoining magnetosheath, a circumstance which has been shown to be a reliable signature of this in single-spacecraft observations [Takagi et al., 2006]. A blob of cold dense plasma 12 was entrained in each vortex, at whose leading edge abrupt polarity changes of field and velocity components at current sheets were regularly observed. In the frame of the average boundary layer velocity, the dense blobs were moving predominantly sunward and their scale size along X was 8.4 RE. Inquiring into the generation mechanism of the vortices, we analyze the stability of the boundary layer to sheared flows using compressible magnetohydrodynamic Kelvin?Helmholtz theory with continuous profiles for the physical quantities. We input parameters from (i) the exact theory of magnetosheath flow under aligned solar wind field and flow vectors [Spreiter and Rizzi, 1974] near the terminator, and (ii) the Wind data. It is shown that the configuration is indeed KH unstable. This is the first reported example of KH-unstable waves at the magnetopause under a radial IMF.Fil: Farrugia, C. J.. University Of New Hampshire; Estados UnidosFil: Gratton, Fausto Tulio Livio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física del Plasma. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física del Plasma; ArgentinaFil: Gnavi, G.. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física del Plasma. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física del Plasma; ArgentinaFil: Torbert, R.. University Of New Hampshire; Estados UnidosFil: Wilson, L. B.. University Of New Hampshire; Estados Unido

Magnetosheath for almost-aligned solar wind magnetic field and flow vectors: Wind observations across the dawnside magnetosheath at x = -12 Re

While there are many approximations describing the flow of the solar wind past the magnetosphere in the magnetosheath, the case of perfectly aligned (parallel or anti-parallel) interplanetary magnetic field (IMF) and solar wind flow vectors can be treated exactly in a magnetohydrodynamic (MHD) approach. In this work we examine a case of nearly-opposed (to within 15) interplanetary field and flow vectors, which occurred on October 24-25, 2001 during passage of the last interplanetary coronal mass ejection in an ejecta merger. Interplanetary data are from the ACE spacecraft. Simultaneously Wind was crossing the near-Earth (X ∼ -13 Re) geomagnetic tail and subsequently made an approximately 5-hour-long magnetosheath crossing close to the ecliptic plane (Z = -0.7 Re). Geomagnetic activity was returning steadily to quiet, "ground" conditions. We first compare the predictions of the Spreiter and Rizzi theory with the Wind magnetosheath observations and find fair agreement, in particular as regards the proportionality of the magnetic field strength and the product of the plasma density and bulk speed. We then carry out a small-perturbation analysis of the Spreiter and Rizzi solution to account for the small IMF components perpendicular to the flow vector. The resulting expression is compared to the time series of the observations and satisfactory agreement is obtained. We also present and discuss observations in the dawnside boundary layer of pulsed, high-speed (v ∼ 600 km/s) flows exceeding the solar wind flow speeds. We examine various generating mechanisms and suggest that the most likely cause is a wave of frequency 3.2 mHz excited at the inner edge of the boundary layer by the Kelvin-Helmholtz instability. Copyright 2010 by the American Geophysical Union.Fil: Farrugia, C. J.. University Of New Hampshire Durham; Reino UnidoFil: Erkaev, N. V.. Institute Of Computational Modelling Of The Siberian Branch Of The Ras; RusiaFil: Torbert, R.. University Of New Hampshire Durham; Reino UnidoFil: Biernat, H. K.. Osterreichische Akademie Der Wissenschaften; Austria. Karl-franzens-universitat Graz; AustriaFil: Gratton, Fausto Tulio Livio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física del Plasma. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física del Plasma; ArgentinaFil: Szabo, A.. Nasa Goddard Space Flight Center; Estados UnidosFil: Kucharek, H.. University Of New Hampshire Durham; Reino UnidoFil: Matsui, H.. University Of New Hampshire Durham; Reino UnidoFil: Lin, R. P.. Space Sciences Laboratory At Uc Berkeley; Reino UnidoFil: Ogilvie, K.. Nasa Goddard Space Flight Center; Estados UnidosFil: Lepping, R. P.. Nasa Goddard Space Flight Center; Estados UnidosFil: Smith, C. W.. University Of New Hampshire Durham; Reino Unid

Two-stage oscillatory response of the magnetopause to a tangential discontinuity/vortex sheet followed by northward IMF: Cluster observations

We discuss the motion and structure of the magnetopause/boundary layer observed by Cluster in response to a joint tangential discontinuity/vortex sheet (TD/VS) observed by the Advanced Composition Explorer spacecraft on 7 December 2000. The observations are then supplemented by theory. Sharp polarity reversals in the east-west components of the field and flow By and V y occurred at the discontinuity. These rotations were followed by a period of strongly northward interplanetary magnetic field (IMF). These two factors elicited a two-stage response at the magnetopause, as observed by Cluster situated in the boundary layer at the duskside terminator. First, the magnetopause suffered a large deformation from its equilibrium position, with large-amplitude oscillations of ∼3-min period being set up. These are argued to be mainly the result of tangential stresses associated with ΔV ythe contribution of dynamic pressure changes being small in comparison. This strengthens recent evidence of the importance to magnetospheric dynamics of changes in azimuthal solar wind flow. The TD/VS impact caused a global response seen by ground magnetometers in a magnetic local time range spanning at least 12 h. The response monitored on ground magnetometers is similar to that brought about by magnetopause motions driven by dynamic pressure changes. Second, Cluster recorded higher-frequency waves (∼79 s). Two clear phases could be distinguished from the spectral power density, which decreased by a factor of ∼3 in the second phase. Applying compressible linearized MHD theory, we show that these waves are generated by the Kelvin-Helmholtz (KH) instability. Varying the local magnetic shear at the Cluster locale, as suggested by the temporal profile of the IMF clock angle, we find that locally stability was reinstated, so that the reduced power in the second phase is argued to be due residual KH activity arriving from locations farther to the dayside. Copyright 2008 by the American Geophysical Union.Fil: Farrugia, C. J.. University Of New Hampshire Durham;Fil: Gratton, Fausto Tulio Livio. Universidad de Buenos Aires; Argentina. Pontificia Universidad Católica Argentina "Santa María de los Buenos Aires"; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física del Plasma. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física del Plasma; ArgentinaFil: Lund, E.J.. University Of New Hampshire Durham; Reino UnidoFil: Sandholt, P.E.. University of Oslo; NoruegaFil: Cowley, S.W.H.. University of Leicester; Reino UnidoFil: Torbert, R.B.. University Of New Hampshire Durham; Reino UnidoFil: Gnavi, Graciela Delia. Universidad de Buenos Aires; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física del Plasma. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física del Plasma; ArgentinaFil: Mann, I.R.. University of Alberta; CanadáFil: Bilbao, Luis Ernesto. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad de Buenos Aires; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física del Plasma. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física del Plasma; ArgentinaFil: Mouikis, C.. University Of New Hampshire Durham; Reino UnidoFil: Kistler, L.. University Of New Hampshire Durham; Reino UnidoFil: Smith, C.W.. University Of New Hampshire Durham;Fil: Singer, H.J.. National Oceanic And Atmospheric Administration; Estados UnidosFil: Watermann, J.F.. Danmarks Meteorologiske Institut; Dinamarc