Modellierung der dynamischen Magnetosphäre
Bis vor kurzem wurde die globale Energieübertragung durch Korrelationsanalysen von Sonnenwindparameter und Indizes der magnetosphärischen Aktivität bewertet. Aber Angesicht eines rasch wachsenden Rechenleistung ist die globale Modellierung des magnetosphärischen Magnetfelds möglich geworden. Der rechnerisch am wenigsten anspruchsvolle magnetohydrodynamische (MHD) Ansatz hat sich mit einer Reihe von Codes, die jetzt für die weltraumphysikalische Forschung bereitstehen, signifikant weiterentwickelt. Leider können viele groß angelegte magnetosphärische Prozesse nicht als MHD-Modelle reproduziert werden. Bei QUESPACE (Quantifying energy circulation in space plasma) versuchten die Forscher kinetische Physik in globale Modelle zu implementieren. Zu diesem Zweck verwendeten sie Wlassows Gleichung, um die Entwicklung der Ionenverteilung direkt zu modellieren, während Elektronen als Fluid betrachtet wurden. Der Hauptvorteil eines solchen Hybrid-Wlassowschen Ansatzes ist die Fähigkeit, Ionen-Verteilungsfunktionen vergleichbar mit denen, die in situ von Raumsonden gemessen werden, zu erzeugen. Aufgrund des Rechenaufwands waren jedoch nur lokale Hybrid-Wlassow-Simulationen vor QUESPACE möglich gewesen. Die Forscher entwickelten numerische Methoden, um die Wlassow-Gleichung zu lösen, und setzten die fortschrittlichsten Methoden der Parallelisierung ein, um die Beschreibung der Weltraumumgebung der Erde auf einer Ionen-Skalen zu ermöglichen. Vlasiator ist eine neu entwickelte globale Weltraum-Simulation im kinetischen Maßstab. Mit der Partnerschaft für Advanced Computing in Europe (PRACE) Hermit Supercomputer führte QUESPACE die erste globale Hybrid-Wlassow-Simulation durch. Vlasiator konnte die Hauptmerkmale der Wechselwirkung zwischen Sonnenwind und Magnetosphäre reproduzieren, etwa wie die Wechselwirkungsprozesse zwischen Wellen und Teilchen beim Ionenvorbeben. Wichtig ist, dass die Ionenverteilungen in den Simulationen im Einklang mit bekannten Ein- und Mulitisonden-Beobachtungen am Vorbeben standen. Insbesondere zeigen Cluster-Satelliten, dass die magnetosonische Kompressionswellen mit dem Bild, das in den Simulationen wiedergegeben wird, übereinstimmen. Im Gegensatz zu den Beobachtungen der Raumsonden, modelliert Vlasiator die gesamte magnetosphärische Kavität in einer ganzheitlichen Weise, wo Prozesse in Raum und Zeit verfolgt werden können, wodurch ein großer Schritt voraus gemacht wird. Die Arbeit von QUESPACE hat neue Standards den Simulationen der Weltraumplasmaphysik festgelegt.
Schlüsselbegriffe
Magnetosphäre, Energieübertragung, Sonnenwind, QUESPACE, Vlasov-Gleichung, Vlasiator
