Pääsivu
Projektit
pro gradu
in English
|
Quantifying Energy circulation in Space plasma (QuESpace) - Energian kiertokulku avaruusplasmoissa
Avaruusfysiikan keskeisimmäksi kysymykseksi on viime aikoina noussut avatuussää, jonka perimmäisenä päämääränä on ennustaa lähiavaruuden olosuhteita ja tunnistaa sellaiset ajanjaksot, jolloin ihmiselle tai ihmiskuntaa avustavalle teknologialle saattaa käydä huonosti. Avaruussääennuste on erittäin hankala haaste avaruusfysiikalle. Magnetosfäärin ilmiöt ovat monimutkaisia ja vaikeita hahmottaa kokonaisuutena käyttäen vain muutaman pisteen mittausta valtavassa turbulentissa systeemissä, jonka kaukana toisistaan sijaitsevat osat ovat vahvassa vuorovaikutuksessa keskenään magneettikentän ja aaltojen välityksellä. Ennusteiden tulisi olla ajallisesti tarkkoja ja voimakkuudeltaan luotettavia, mistä syystä avaruusfysiikka on nyt siirtymässä 1960-luvulla alkaneesta kuvailevasta vaiheesta kvantitatiiviseen vaiheeseen. Fysikaalisen systeemin kvantitatiivinen ymmärtäminen erilaisilla reunaehdoilla tarkoittaa sitä, että systeemin energetiikka on tunnettava tarkasti. Tästä syystä magnetosfäärifysiikan tärkeimpiä kysymyksiä on energian ja massan kiertokulku magnetosfäärissä: mistä, koska ja kuinka paljon energiaa tulee, minne se kuluu, ja mikä on kuluttavien systeemien suhteellinen tehokkuus kunakin hetkenä. Kysymykset ovat vielä pitkälti auki.
Ilmatieteen laitoksen ydinosaamisaluetta on plasman mallintaminen erilaisilla tietokonesimulaatioilla, ja laitoksella onkin kehitetty useita erilaisia plasman mallinnussimulaatioita lähtien magnetohydrodynaamisesta (MHD) kuvailusta, ja päätyen täyskineettiseen simulaatioon, jossa ionien ja elektronien radat ratkaistaan sähkömagneettisissa kentissä. Ilmatieteen laitoksen GUMICS-4 koodi on ainoa eurooppalainen globaali MHD-simulaatio, jossa MHD-yhtälöt ratkaistaan lähes koko magnetosfäärin käsittävässä simulaatioalueessa, joka on kytketty ionisoitunutta yläilmakehää eli ionosfääriä elektrostaattisesti mallintavaan moduuliin.
Kun simulaation energian siirtoa ja kulumista voidaan periaatteessa tutkia kvantitatiivisesti, herää kysymys, voisiko simulaatiota käyttää avaruussään ennustamiseen. Suurteholaskennassa ollaan siirtymässä jo sellaiseen tehokkuuteen, että koodia voidaan pian ajaa reaaliajassa. Näin lähitulevaisuudessa saadaan paikkaan sidottu ennuste pyörittämällä globaalia MHD-simulaatiota Lagrangen pisteestä saatavalla syötteellä reaaliajassa, tai jopa nopeammin. Simulaatioista saadaan kuitenkin ennuste vain siinä viitekehyksessä, jonka MHD tarjoaa, ja sisämagnetosfäärin geostationääristen kommunikaatiosatelliittien avaruussääennuste jää vaillinaiseksi. Ratkaisuksi jotkut ryhmät tarjoavat erillisen sisämagnetosfäärimoduulin kytkemistä MHD-simulaatioihin, toiset taas vannovat paremman plasman kuvailumenetelmän nimiin.
Projektissa määritetään kvantitatiivisin menetelmin energian kiertokulkua avaruudessa käyttämällä suuren skaalan simulaatioita,
lokaaleja mittauksia ja kehittämällä uutta itsekonsistenttia avaruussäämallia. Teknologisessa mielessä teema on ensimmäinen askel
operatiiviseen avaruussääennusteeseen. Tällä hetkellä olemassa olevat mallit eivät vastaa kysymykseen täydellisesti, sillä erityisesti
avaruussään kannalta ratkaisevassa roolissa olevan sisämagnetosfäärin mallinnus on osoittautunut vaikeaksi.
Projektilla on kolme tavoitetta:
- Uudentyyppinen simulaatiomallien ja ESA:n Cluster-satelliitin mittausten yhdistäminen;
- Uuden avaruussämallin kehittäminen. Malli kuvaa tarkasti ja itsekonsistentisti Maan lähiavaruuden kaikki osa-alueet, joita ei voi
nykyisillä malleilla mallintaa;
- Ilmatieteen laitoksen nykyisen mallin tehostaminen ja kalibroiminen avaruussäennusteiden saavuttamiseksi. Mallia arvioidaan
kohtien 1 ja 2 tulosten perusteella.
QuESpace-projecti on European Research Councilin (ERC) ja Suomen Akatemian rahoittama.
|