Avaruusfysiikan sovellukset

Avaruusfysiikan sovellukset -ryhmän tutkimus kohdistuu Maan sekä muiden aurinkokunnan kappaleiden ympärillä avaruudessa tapahtuviin ilmiöihin. Kehitämme maailman edistyneimpiä numeerisia simulaatiomalleja, rakennamme sähköpurjetta tulevaisuuden avaruusmatkailun välineeksi ja tuotamme tutkimustiedosta avaruussääpalveluja teknistyvän yhteiskuntamme hyödyksi.

Maan magneettikehää tutkitaan satelliitein ja simulaatioin.

Auringon aktiivisuus ravistelee Maata ympäröivää magneettikenttää ja sen vangitsemaa plasmaa. Avaruussääryhmä tulkitsee näistä ilmiöistä kertovia satelliittihavaintoja mm. simulaatioiden avulla. Kuva: Tiera Laitinen, Soho (ESA ja Nasa), Nasa.
 

Avaruusfysiikan tutkimuksella on pitkä ja ansiokas historia Ilmatieteen laitoksella. Suomen ensimmäisistä maanpäällisistä magneettikenttämittauksista 1800-luvulla edettiin 1900-luvun lopulla satelliittihavaintoihin. Mittaukset ovat lisänneet tietämystämme niin Maan kuin muidenkin aurinkokuntamme kappaleiden avaruussääilmiöistä. Havaintosarjoja käytetään myös tutkittaessa avaruusilmastoa, jolloin tarkastellaan vuosikymmenten aikana tapahtuvia muutoksia.

Ryhmä käyttää monipuolisesti satelliittimittauksia Maan lähiavaruuden hiukkasista sekä sähkö- ja magneettikentistä. Tutkimusaineistoa saamme niin käynnissä olevista tekokuuohjelmista kuin jo päättyneidenkin luotainlentojen arkistoista. Ryhmän vahvuutena on yhdistää avaruudessa tehtyjä mittauksia maanpintahavainnoin kerättyihin aineistoihin, esimerkiksi ionosfäärin virtauksista kertoviin tutkamittauksiin ja revontulikameroiden kuviin, sekä simulaatiomallien tuloksiin.

Plasmasimulaatiomallit

Ionien pako Venuksesta hybridisimulaatiossa

Hybridisimulaatio aurinkotuulen Venuksen yläilmakehästä irrottamista
vety- ja happi-ioneista.
 

Maan magnetosfäärin tutkimiseen ryhmä on kehittänyt kahta mallia: Gumics ja Vlasiator. Gumics on MHD-malli, jolla voidaan nestemallilla simuloida Maan plasmaympäristöä erittäin tehokkaasti. Tällä mahdollistetaan pitkien aikasarjojen simuloiminen tutkimuskäyttöön. Uusi rinnakkaislaskentaan perustuva malli sallii jopa reaaliaikaa nopeamman laskemisen.

Vlasiator on hybridi-Vlasov-malli, jossa positiivisesti varatut ionit kuvataan nesteenä 6-ulotteisessa avaruudessa (paikka- ja nopeusavaruus), kun taas negatiivisesti varatut elektronit on mallinnettu keskiarvoistettuna nesteenä paikka-avaruudessa. Malli on laskennallisesti erittäin vaativa, mutta mahdollistaa kineettisten prosessien kuvaamista Maan lähiympäristössä ennenäkemättömän tarkasti. Vlasiatoria ajetaan Euroopan nopeimissa supertietokoneissa kymmenillätuhansilla ytimillä.

Aurinkotuuli aiheuttaa ilmakehän kaasujen pakenemista avaruuteen erityisesti Venuksesta ja Marsista, koska niillä ei ole sisäistä magneettikenttää kuten Maalla. Ryhmässä kehitetään hybridisimulaatioita, joiden avulla aurinkotuulen aiheuttama yläilmakehän varattujen hiukkasten pakeneminen avaruuteen voidaan mallintaa tarkasti. Hybridisimulaatioissa positiivisesti varattujen ionien liikettä seurataan kineettisesti hiukkasina, kun taas negatiivisesti varatut elektronit on mallinnettu keskiarvoistettuna nesteenä kuten Vlasiatorissakin. Hybridimallinnuksen avulla tutkitaan mm. Mars Express ja Venus Express -luotainten ASPERA-mittalaitteiden sekä Rosetta-komeettaluotaimen havaintoja. Ilmatieteen laitos on osallistunut näiden laitteiden rakentamiseen.

Sähköpurje ja plasmajarru

Sähköinen aurinkotuulipurje eli sähköpurje on ryhmässämme keksitty laite, jonka avulla avaruusalus voi liikkua aurinkokunnassa tehokkaasti ja nopeasti ilman ajoainetta.  Se, että menetelmä ei kuluta ajoainetta, on suuri etu, koska silloin avaruusalus voi muuttaa liiketilaansa periaatteessa rajattomasti purjehtimalla aurinkotuulessa. Tekniikka perustuu ohuisiin varattuihin metalliliekoihin, jotka vuorovaikuttavat nopeasti virtaavan aurinkotuulen sähköisesti varattujen hiukkasten kanssa. Laskujen mukaan sähköpurje voi olla vallankumouksellisen tehokas ja nopea menetelmä aurinkokunnassa liikkumiseen.  Tulevaisuudessa sitä saatetaan soveltaa paitsi perinteisiin tutkimusluotaimiin myös uusiin sovelluksiin, kuten asteroidien kaivostoiminnan vaatimiin kuljetuksiin.

Maan magnetosfäärin sisällä sähköpurje ei pysty tuottamaan työntövoimaa, koska Maan magneettikenttä estää aurinkotuulen tunkeutumisen Maan lähiavaruuteen.  Matalalla Maata kiertävällä radalla kuitenkin satelliitin ratanopeuden ja yläilmakehän plasman välillä on nopeusero, jota voidaan hyödyntää satelliitin ratanopeuden vähentämiseen käyttäen samaa fysikaalista ilmiötä, johon sähköpurje perustuu. Tätä ns. plasmajarrua voidaan käyttää avaruusromun vähentämiseen eli satelliittien poistamiseen kiertoradalta niiden tehtävän päätyttyä.

Avaruussääpalvelut

Ryhmämme tutkijat kehittävät yhdessä Ilmatieteen laitoksen muiden yksiköiden kanssa myös avaruussään rutiininomaista seurantaa ja ennustamista. Tuotamme arkipäivisin yleistajuisen avaruussäätiedotuksen, jossa arvioimme myös revontulten esiintymisen todennäköisyyttä hieman pidemmällä aikavälillä. Rajujen avaruusmyrskyjen sattuessa seuraamme tilannetta ja varoitamme tarvittaessa mahdollisista vaikutuksista tietoliikenteeseen ja muihin avaruussäälle alttiisiin teknisiin järjestelmiin.

Lue lisää

Yhteistyöhankkeita, joissa olemme mukana

  • MIRACLE, Ilmatieteen laitoksen johdolla ylläpidettävä revontulien havaintoverkko, johon kuuluu magnetometrejä, ionosfääritutka ja revontulikameroita
  • EISCAT, ionosfääritutkajärjestelmä
  • ReSolve, Suomen Akatemian huippuyksikkö
  • SPACESTORM, EU:n rahoittama tutkimushanke
  • EURISGIC, EU:n rahoittama tutkimushanke
  • SPACECAST, EU:n rahoittama tutkimushanke