Avaruusplasmojen mallinnus

Maan lähiavaruuden tutkimuksessa tietokonesimulaatiot ovat tärkeä apuväline. Laskennallisten mallien avulla voidaan muodostaa kokonaiskuva aineen, magneettikenttien ja energian virtauksista laajassa magneettikehässämme, jossa mittauksia tekeviä satelliitteja on harvassa. Samankaltaisia mallinnusmenetelmiä voidaan soveltaa myös aurinkokunnan muiden kappaleiden plasmaympäristöihin.

Ilmatieteen laitoksessa on kehitetty muun muassa Euroopan ainoa koko magneettikehää ja ionosfääriä yhdessä mallintava simulaatiokoodi, Gumics-4. Se käyttää syötteenään aurinkotuulesta tehtyjä satelliittimittauksia. Tulokseksi saadaan kolmiulotteinen kuva lähiavaruutemme magneettikentistä ja plasman virtauksista. Malliin kytketty ionosfääriosa tuottaa kaksiulotteisen kuvan muun muassa ionosfäärin sähkönjohtavuudesta ja sinne avaruudesta tulevasta hiukkassadannasta.

magneettikehä Gumics-simulaatiossa

Maan magneettikehä Gumics-simulaatiossa. Väritys kuvaa plasman tiheyttä ja vaaleansiniset viivat sen virtausta. Keltaiset viivat ovat magneettikenttäviivoja.

 

Tällä hetkellä avaruusplasmojen mallinnusta käytetään pääasiassa tieteellisen tutkimuksen menetelmänä. Yhtenä pitkän tähtäimen tavoitteena on kehittää malleista niin tarkkoja ja nopeita, että niiden avulla voitaisiin ennustaa tulevia avaruussääilmiöitä samaan tapaan kuin ilmakehämalleilla ennustetaan maanpäällistä säätä. Avaruussään ennustamisessa yksi suurimmista ongelmista on syötetiedon saanti. ilmakehämallien tarvitsemia alkuarvoja voidaan mitata tiheällä maanpäällisellä säähavaintoverkolla, mutta avaruussäämalli tarvitsisi vastaaviksi alkuarvoikseen mittauksia aurinkotuulessa useissa pisteissä Auringon ja Maan välissä.

Eri tapoja mallintaa plasmaa

Plasman laskennalliseen mallintamiseen on useita eri lähestymistapoja, jotka perustuvat erilaisiin fysikaalisiin teorioihin. Menetelmien tärkein ero on siinä, miten tarkasti aineen osasia kuvataan. Tarkempi kuvailu pystyy jäljittelemään suurempaa fysikaalisen todellisuuden ilmiöiden joukkoa, mutta magneettikehän kaltaisia suuria järjestelmiä mallinnettaessa tietokoneiden laskentateho ja muistin määrä muodostuvat nopeasti rajoittaviksi tekijöiksi. Siksi mallinnus on aina yksinkertaistamista ja likimääräisten menetelmien optimointia: on valittava, mitä luonnon ilmiöitä mallilla yritetään jäljitellä ja mietittävä, miten se onnistuu riittävän tarkasti käytettävissä olevin laskentaresurssein.

Täyskineettinen hiukkassimulaatio on mallinnustavoista tarkin ja laskennallisesti raskain. Siinä plasmaa kuvataan yksittäisten hiukkasten kokoelmana, ja simulaatio laskee jokaisen hiukkasen liikeradan vallitsevassa sähkö- ja magneettikentässä erikseen. Käytännössä simulaatiossa ei voi olla yhtä monta hiukkasta kuin esimerkiksi planeetan plasmaympäristössä oikeasti on, joten jokainen simuloitu hiukkanen edustaa useampaa todellista hiukkasta. Hiukkasten liikkeiden keskiarvosta saadaan muun muassa sähkövirrat, joista saadaan puolestaan laskettua sähkö- ja magneettikenttien uudet arvot seuraavaa aika-askelta varten.

Magnetohydrodynaamisessa (MHD) simulaatiossa plasmaa kuvaillaan jatkuvana kaasuna. Avaruus on jaettu soluihin, joista jokaisessa tällä kaasulla on tietty tiheys, lämpötila ja nopeus. MHD-simulaatiot ovat laskennallisesti paljon keveämpiä kuin hiukkassimulaatiot ja niillä voidaan mallintaa suuriakin kokonaisuuksia. MHD:n heikkoutena on, että se ei pysty mallintamaan esimerkiksi magneettikehän sisäosissa runsaslukuisina seikkailevia suurienergiaisia hiukkasia. Yllä mainittu Gumics-4 on MHD-simulaatio.

Hybridisimulaatio on edellisten välimuoto. Siinä ionit mallinnetaan yksittäisinä hiukkasina ja elektronit MHD-simulaation tapaan nesteenä.

Vlasov-simulaatio perustuu Vlasovin yhtälön ratkaisemiseen. Siinä ainetta kuvataan jatkuvana nesteenä kuusiulotteisessa avaruudessa, joka muodostuu kolmesta paikkaulottuvuudesta ja kolmesta nopeusulottuvuudesta. Näin pystytään kuvaamaan hiukkasten termisestä poikkeavia nopeusjakaumia laskematta jokaisen hiukkasen rataa erikseen. Ilmatieteen laitoksessa on kehitetty maailman ensimmäinen Maan magneettikehää kuvaava 6-ulotteinen Vlasov-simulaatio Vlasiator.

Testihiukkassimulaatiossa seurataan yksittäisten hiukkasten liikettä ennalta määrätyssä sähkömagneettisessa kentässä. Erona hiukkas- ja hybridisimulaatioihin on, että testihiukkaset eivät itse vaikuta ympäröiviin kenttiin. Tämän ansiosta simulaatiossa voidaan käyttää hyvinkin pientä testihiukkasmäärää ja siitä saadaan laskennallisesti kevyt. Testihiukkasia ohjaava sähkömagneettinen kenttä on tuotava simulaatioon ulkopuolelta, esimerkiksi analyyttisesta mallista tai MHD-simulaatiosta.
 

Mitä on plasma?

Plasma on kaasua, jossa ainakin osa atomeista on ionisoitunut eli menettänyt yhden tai useamman uloimmista elektroneistaan. Irronneet elektronit ovat mukana plasmassa, mutta liikkuvat vapaasti positiivisten ionien ja neutraalien atomien seassa. Plasma on kvasineutraalia, eli sillä ei ole nettosähkövarausta: ionien ja elektronien varausten summa on nolla. Toisin kuin ionisoitumaton kaasu, plasma johtaa hyvin sähköä.

Sähkövaraukselliset hiukkaset voivat liikkua vapaasti vain magneettikentän suuntaisesti, eivät sen poikki. Siksi magneettikenttä vaikuttaa voimakkaasti plasman käyttäytymiseen. Vahva kenttä ohjaa plasman liikettä, ja toisaalta plasman virtaukset ja sähkövirrat muovaavat magneettikenttää. Usein sanotaan magneettikentän olevan ”jäätynyt kiinni” plasmaan ja ”liikkuvan” sen mukana; nämä kielikuvat ovat fysikaalisesti epätäsmällisiä, mutta usein käytännöllisiä ajattelutapoja.