Measuring Particle Distribution Functions in Collisionless Space Plasmas: Multiple Ion Population

Abstract

En marzo de 2015 la NASA lanzó la misión MMS (Multiescala Magnetosférica) con el fin de investigar el fenómeno de reconexión magnética, un proceso por el que los campos electromagnéticos de la Tierra y el Sol interaccionan intercambiando grandes cantidades de energía que acelera y calienta las partículas con carga que conforman el plasma circundante. La misión MMS revela por primera vez la microfísica de la reconexión con una resolución y precisión sin precedentes, determinando los procesos cinéticos que ocurren a pequeña escala y que son responsables del desarrollo del fenómeno. Desde su concepción, multitud de laboratorios americanos, europeos y japoneses están implicados en la misión MMS, participando activamente en el análisis científico de las medidas y su interpretación. El presente proyecto recoge los resultados del estudio llevado a cabo en el Instituto francés de Investigación en Astrofísica y Planetología (IRAP), cuyo objeto principal ha sido la caracterización de múltiples poblaciones iónicas en un entorno de plasma no colisional a partir de los datos recogidos por los equipos MMS. Trabajos previos han detectado la presencia conjunta de dos poblaciones de iones en la magnetosfera terrestre durante el proceso de reconexión magnética. Estas poblaciones iónicas se diferencian principalmente por su densidad y temperatura, distinguiéndose un grupo de iones más calientes y un grupo de iones fríos procedentes de la ionosfera. Al tratarse de un régimen no colisional, los iones de distinta temperatura no interaccionan de forma directa, siendo posible la coexistencia en una misma región del espacio. El diseño de los equipos de medición MMS no permite distinguir de manera automática los distintos tipos de poblaciones iónicas, siendo la caracterización de los iones fríos particularmente complicada. Sin embargo, se ha demostrado que, en ocasiones, los iones fríos son predominantes en las principales zonas de la magnetosfera donde se produce la reconexión, y su presencia influye tanto a gran escala como en la microfísica del proceso. Por ello, comprender el fenómeno de reconexión magnética en detalle pasa primero por identificar cada una de las especies y condiciones presentes en el escenario estudiado. Para la identificación de las dos poblaciones se emplean las medidas tomadas por el instrumento FPI (Fast Plasma Investigation) destinado a la detección de iones y electrones en el plasma espacial. En concreto, se trabaja con las funciones de distribución de densidad del espacio de fase de iones. La caracterización se ha planteado modelizando las distribuciones de velocidad proporcionadas como funciones gaussianas, o equivalentemente las distribuciones de energía como funciones maxwellianas. La condición de plasma no colisional se traduce en que una distribución está constituida por dos o más funciones maxwellianas, características de cada población. En estas condiciones, se han obtenido los distintos parámetros que definen la distribución y, por tanto, los dos tipos de iones presentes en la región estudiada. El análisis realizado confirma la presencia de ambas poblaciones iónicas en el tiempo considerado. Las funciones de distribución se han estudiado en los espacios de velocidades 1D, 2D y 3D, y en este último caso, los resultados del ajuste no son satisfactorios. El trabajo desarrollado supone un punto de partida de un proyecto cuyo objeto final es la caracterización automática, completa y exhaustiva, de las múltiples poblaciones del plasma en la magnetosfera terrestre.

In March 2015, NASA launched the MMS (Magnetospheric Multiscale) mission in order to study the phenomenon of magnetic reconnection, a process by which the electromagnetic fields of the Earth and the Sun interact exchanging large amounts of energy that accelerates and heats the charged particles that constitute the surrounding plasma. The MMS mission reveals for the first time the microphysics of reconnection with unprecedented resolution and precision, identifying the kinetic processes that occur on a small scale and are responsible for the development of this phenomenon. Since its conception, many American, European and Japanese laboratories are involved in the MMS mission, actively participating in the scientific analysis of the measures and their interpretation. The present project summarizes the results of the study carried out at the French Institute of Research in Astrophysics and Planetology (IRAP), whose main objective has been the characterization of multiple ionic populations in a non-collisional plasma from the data collected by MMS satellites. Previous works have detected the presence of two ion populations in the Earth's magnetosphere during the process of magnetic reconnection. These ionic populations differ mainly in their density and temperature, distinguishing a group of hot ions and a group of colder ions from the ionosphere. A non-collisional regime implies that ions of different temperatures do not interact directly, so it is possible to coexist in the same space region. MMS measuring equipments usually do not automatically characterize different ion populations based on their differing temperature. However, it has been shown that the cold population can be predominant in the main areas of the magnetosphere where reconnection occurs, and its presence affects not only at large scale but also at the microphysics of the process. Therefore, to fully understand the phenomenon of magnetic reconnection, it is first necessary to identify the present species and conditions at the scenario considered. For the identification of the two populations, we use measures taken by the MMS’s FPI (Fast Plasma Investigation) instrument, designed for detecting electrons and ions in the space plasma. In particular, we have worked with the ion phase space densities in the velocity space. The characterization has been proposed by modeling the distributions as Maxwellian functions. The non-collisional plasma condition means that a distribution function is made up of two independent Maxwellian functions, characteristic of each population. Under these conditions, the different parameters defining the distribution and, therefore, the two types of ions present in the studied region have been obtained. The analysis confirmed the presence of both ionic populations in the time considered. The distribution functions have been studied in the 1D, 2D and 3D speed spaces, thus concluding that in the latter case, the results of the fitting are not satisfactory. The work developed is a starting point for a project whose final object could be the complete and exhaustive characterization of plasma conditions in the Earth's magnetosphere.