Numeerisen analyysin ja laskennallisen tieteen seminaari

20.3.2006  klo 14.15  U356

Tiera Laitinen, Ilmatieteen laitos, Avaruuden ja yläilmakehän tutkimus:

MHD-simulaatiot Maan lähiavaruuden tutkimuksessa

Auringosta puhaltava varauksellisten hiukkasten virta eli aurinkotuuli muovaa Maan sisäsyntyisestä magneettikentästä Maan ympärille laajan onkalomaisen alueen, jota kutsutaan magnetosfääriksi. Magnetosfääriin sisältyy monimutkainen sähkövirtajärjestelmä, joka kytkeytyy myös ionosfääriin eli ilmakehän yläosaan. Aurinkotuulen muutokset aiheuttavat magnetosfäärissä dynaamisia ilmiöitä, joista rajuimpia kutsutaan avaruusmyrskyiksi. Niihin liittyvät energisten hiukkasten ryöpyt synnyttävät revontulia ja voivat olla vaaraksi satelliiteille, astronauteille sekä napa-alueilla lentomatkustajille. Maanpinnalla avaruusmyrskyihin liittyvät magneettiset häiriöt ovat aiheuttaneet mm. sähkökatkoja.

Tarve ymmärtää ja oppia ennustamaan aurinkotuulen, magnetosfäärin ja ionosfäärin muodostaman kokonaisuuden käyttäytymistä on synnyttänyt avaruussääksi kutsutun tutkimusalan. Sen keskeisenä välineenä ovat magnetohydrodynaamiset (MHD) simulaatiot. Simulaatioiden avulla pystytään täydentämään satelliittimittausten antamaa kuvaa ja kvantifioimaan mm. energiavirtoja magnetosfäärin eri osien välillä. Pitkän tähtäyksen tavoitteena on lisäksi nykyisten sääennustemallien kaltaiseen rutiiniluontoiseen avaruussään ennustamiseen kykenevä simulaatio.

Ilmatieteen laitoksessa on kehitetty Euroopan ainoa täysmittainen magnetosfääri–ionosfäärisimulaatio Gumics-4. Magnetosfääriosa ratkaisee ideaalisen MHD:n yhtälöt konservatiivisessa muodossa. Diskretisointi perustuu tilavuuskeskiarvomenetelmään (finite volume method, FVM). Puoliautomaattisesti mukautuva hila kohdentaa parhaan resoluution Maan lähimpään ympäristöön sekä alueille, joissa ajon aikana kehittyy jyrkimpiä gradientteja. Magnetosfäärisimulaatioon on kytketty sähköstaattisiin yhtälöihin perustuva kiinteähilainen ionosfäärimalli. Gumicsin tuottamista tuloksista on määritetty mm. magnetosfäärin ulkorajapinta sekä energiaa siirtävien ja muodosta toiseen muuntavien prosessien voimakkuuksia.