Io’s  plasma  interac0ons:  101  

P.  A.  Delamere  University  of  Colorado  

Issues  for  plasma  interac0ons  •  Energy  input  for  neutral  escape  (forma4on  of  corona  and  extended  neutral  clouds)    

•  Diagnos4c  of  atmospheric  composi4on,  distribu4on,  and  possible  asymmetry  

•  Io’s  aurora…diagnos4c  of  Io’s  atmosphere  

•  Torus  variability  linked  to  volcanic  ac4vity  (JAXA  EXCEED  mission)  

Steffl  et  al.,  2008  

Delamere  et  al.,  2004  

Types  of  interac0ons  •  Magne4zed  (internally  generated  magne4c  field)  – Mini-­‐magnetosphere  (Ganymede)  

•  Non-­‐magne4zed  –  Inert,  no  induced  magne4c  field  and  no  neutral  source  (e.g.  moon).    

–  Induced  magne4c  field  due  to  4me-­‐varying  external  magne4c  field  (e.g.  Europa  and  Io)  

– Magne4c  perturba4on  due  to  interac4on  with  neutral  source  (.e.g.  Io,  Enceladus)  

Pickup=source of energy

(at 60 km/s)

Tpu(O+)=270 eV

Tpu(S+)=540 eV

Tpu(SO2+)= 1080 eV

Interac0on  processes  

Momentum  loading  (pickup)  •  Ioniza4on  

•  Charge  exchange  

–  Ioniza4on  adds  mass  –  Charge  exchange  does  not  add  mass  (usually)  –  Pickup  involves  two  parts:  

•  Accelera4on  to  corota4on  speed  •  Hea4ng  at  local  flow  speed  (on  4me  scale  of  gyromo4on)  

–  Both  transfer  momentum  from  ambient  plasma  to  new  ions  

Ioniza0on  and  Charge  Exchange  

•  .CharCharge  

Ioniza4on  limited  by  electron  temperature  [Saur  et  al.,  1999;  Dols  et  al.,  2008]  

Charge  exchange  amplified  by  “seed”    ioniza4on.    Results  in  an  avalanche  of    reac4ons  [Fleshman  et  al.,  2011]  

Io’s  (par0al)  neutral  torus    

M.  Burger  

Electrodynamic  consequences  

•  Momentum  loading  generates  currents  

€

M•v = J ×BdV∫

€

J =∇ ×B

µo

Ioniza4on  +  charge  exchange  

Flow  around  a  conduc0ng  obstacle  

Dols  et  al.,  2008  

Ring  Beam  (pickup)  distribu0on  

B  

Momentum  transfer  •  Magne4c  field  perturba4on  due  to  “pick  up”  (e.g.  ioniza4on  and  charge  exchange)  

 •  Alfven  characteris4c  determined  plasma  mass  density  and  magne4c  field.  

vcor  

vA  

€

vcorvA

=δBx

Bz

Momentum  transfer  

•  Alfven  wing  magne4c  field  topology  results  in  forces  on  charged  par4cles  via  Maxwell  stresses.  – Accelera4on  of  iogenic  plasma  at  the  expense  of  torus  plasma.  

– Ul4mately,  Jupiter’s  atmospheric  is  the  source  of  momentum  and  energy.  

Es0mate  of  momentum  loading    •  Maxwell  stress    

•  Plasma  mass  coupling  rate  

•  Momentum  balance  requires  (ignoring  upstream  input,  chemical  processes)    

€

dpxdt

= 2(δBx )BzA /µo = (2ρtorusvAA)vx

•

MAlfven = 2ρtorusvAA =2PdAMAvcor

•

MAlfven =•

Mionization +•

Mchex ≈ 300 kg/s  

Momentum  transfer  

€

•

MAlfven

€

•

Mtorus€

•

MAlfven

€

•

Mionization

€

•

Mchex

€

•

Mtorus•

MAlfven

<1

Electron Beams

Galileo

Fresh hot ions

Flow

Magnetic field

Galileo  Io  Flyby  -­‐  1995  

Flux

NeV

x (10

10 c

m-2

s-1

)"

Y (RIo)"

Bagenal, [1997]

•  Is the local interaction ionosphere-like (elastic collision dominated), or comet-like (mass loading dominated)? •  Bagenal, [1997]: 200-500 (kg/s) •  Saur et al., [2003]: 50-200 (kg/s)

Y (RIo)

Bagenal, [1997]

€

I = JA = JπRIo2 = 3×106(A)

€

V ≈ vB(2RIo) = 400(kV)

€

P =VI =1.2 ×1012(W)

Energe0cs  

Power  (Alfven  wave)  per  hemisphere:  5x1011  W  

Io  Interac4on:  ~1012  W  

IR+UV  auroral  spots:  109-­‐1010  W  

Io-­‐DAM:  109-­‐1010  W  

Precipita4ng  electrons  (100-­‐1000  eV):  ~1010-­‐1011  W  

B  

Analysis  of  mass  loaded  systems  

Analysis  of  mass  loaded  systems  

Analysis  of  mass  loaded  systems  

Ion  Cyclotron  Waves  B  

Ion  Cyclotron  Waves  

SO+  SO2

+  

Ion  Cyclotron  Waves  

Russell  and  Kivelson,  2001  

Huddleston  et  al.,  1997  

Galileo  Magnetometer  Data  

0.4 0.6 0.8 10

10

20

30

40

Frequency (Hz)

Pow

er/fr

eque

ncy

(Arb

itrar

y lo

g sc

ale)

32 amu 48 amu 64 amuA

Freq

uenc

y (H

z)

1.3 (C.A.) 2 3 4 RIo 32 amu

48 amu

64 amu

A BA B04:35 04:40 04:450.25

0.50

0.75

1.00

0.4 0.6 0.8 10

10

20

30

40

Frequency (Hz)

Pow

er/fr

eque

ncy

(Arb

itrar

y lo

g sc

ale)

32 amu 48 amu 64 amuB

Analysis  of  plasma  data  in  Io’s  wake  Upstream   Wake  

Frank  and  Paterson,  2002  

Hybrid  Simula0ons    (“synthe0c  par0cle  data”)  

Energy  (e

V)  

Time  

Hybrid  simula0ons  (upstream)  

Hybrid  simula0ons  (wake)  

Io’s  electrodynamic  interac0on  with  Jupiter’s  magnetosphere  

•  Complex!  –  Induced  Dipole  – Thermal  plasma  -­‐>  neutral  atmosphere  

•  Ioniza4on  and  Charge  Exchange,  auroral  emissions?  – Electron  beams  from  Alfvenic  interac4on  

•  Ioniza4on,  auroral  emissions?  – Escaping  neutrals  

•  Charge  exchange,  electron  impact  dissocia4on  – Plasma  data  analysis  difficult  due  to  non-­‐Maxwellian  distribu4ons!