Modellare una magnetosfera molto dinamica
Fino a poco tempo fa, il trasferimento globale di energia veniva valutato mediante analisi di correlazione dei parametri del vento solare e degli indici dell’attività magnetosferica. Ma, grazie alla potenza di calcolo che aumenta rapidamente, la modellazione globale del campo magnetico magnetosferico è diventata ora possibile. L’approccio magnetoidrodinamico (MHD), meno impegnativo dal punto di vista del calcolo, si è evoluto significativamente grazie a diversi codici adesso disponibili per la ricerca nel campo della fisica spaziale. Sfortunatamente, molti processi magnetosferici su larga scala non possono essere riprodotti in modelli MHD. Nell’ambito del progetto QUESPACE (Quantifying energy circulation in space plasma), i ricercatori hanno cercato di applicare la fisica cinetica nei modelli globali. A questo scopo, essi hanno usato l’equazione di Vlasov per modellare l’evoluzione della distribuzione degli ioni direttamente trattando gli elettroni come un fluido. Il principale beneficio di un simile approccio ibrido di Vlasov è la capacità di produrre funzioni della distribuzione degli ioni paragonabili a quelle misurate in situ da un veicolo spaziale. A causa della complessità computazionale, tuttavia, solo simulazioni ibride di Vlasov locali erano state possibili prima di QUESPACE. I ricercatori hanno sviluppato dei metodi numerici per risolvere l’equazione di Vlasov e hanno utilizzato i metodi più avanzati nella parallelizzazione per consentire la descrizione dell’ambiente spaziale della Terra su scale ioniche. Vlasiator è una simulazione globale sviluppata di recente dell’ambiente spaziale su scala cinetica. Usando il supercomputer Hermit di PRACE (Partnership for Advanced Computing in Europe), QUESPACE ha effettuato le prime simulazioni globali ibride di Vlasov. Vlasiator è stato in grado di riprodurre le caratteristiche chiave dell’interazione tra vento solare e magnetosfera, come ad esempio i processi di interazione onda-particelle nella regione del foreshock ionico. Ma ciò che conta, è che le distribuzioni degli ioni riprodotte nelle simulazioni erano coerenti con le osservazioni note effettuate da veicoli spaziali singoli o multipli nella regione del foreshock. In particolare, i satelliti Cluster mostrano delle onde compressive magnetosoniche in accordo con il quadro riprodotto nelle simulazioni. Diversamente dalle osservazioni effettuate dai veicoli spaziali, Vlasiator modella l’intera cavità magnetosferica in una maniera olistica, dove i processi possono essere seguiti nel tempo e nello spazio, compiendo un importante passo in avanti. Il lavoro di QUESPACE ha definito nuovi standard nelle simulazioni della fisica del plasma spaziale.
Parole chiave
Magnetosfera, trasferimento energia, vento solare, QUESPACE, equazione di Vlasov, Vlasiator