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.