Modéliser la magnétosphère dynamique
Jusqu'à récemment, les transferts globaux d'énergie étaient évalués par des études de corrélation des paramètres de vent solaire et des indices d'activité magnétosphérique. Cependant, grâce à l'augmentation rapide des puissances de calcul, la modélisation globale du champ magnétique magnétosphérique est devenue possible. L'approche magnétohydrodynamique (MHD) moins exigeante en capacité de calcul a évolué de manière significative avec un certain nombre de codes qui sont maintenant disponibles pour la recherche en physique de l'espace. Malheureusement, de nombreux processus magnétosphériques à grande échelle ne peuvent pas être reproduits dans les modèles MHD. Dans le cadre du projet QUESPACE (Quantifying energy circulation in space plasma), les chercheurs ont voulu implémenter la physique cinétique dans les modèles globaux. Dans cet objectif, ils ont utilisé l'équation de Vlasov pour modéliser l'évolution de la distribution d'ions directement tout en traitant les électrons comme un fluide. Le principal avantage d'une approche de Vlasov hybride de ce type réside dans la capacité à produire des fonctions de distribution d'ions comparables à celles mesurées in situ par les engins spatiaux. Cependant, étant donné la complexité en termes de calculs, seules des simulations de Vlasov hybrides locales avaient pu être réalisées avec le projet QUESPACE. Les chercheurs ont développé des méthodes numériques pour résoudre l'équation de Vlasov et utilisé les méthodes de parallélisation les plus avancées pour permettre une description de l'environnement spatial de la Terre à l'échelle des ions. Vlasiator est une nouvelle simulation de l'environnement spatial global à l'échelle cinétique. Le projet QUESPACE a effectué les premières simulations de Vlasov hybrides globales en utilisant le supercalculateur Hermit du programme PRACE (Partnership for Advanced Computing in Europe). Vlasiator a réussi à reproduire des caractéristiques clés de l'interaction vent solaire-magnétosphère, comme les processus d'interactions onde-particule au précurseur d'un choc d'ion. De manière importante, les distributions d'ions reproduites dans les simulations étaient cohérentes avec les observations connues effectuées avec un ou plusieurs engins spatiaux au précurseur. En particulier, les satellites Cluster montrent des ondes magnétosoniques de compression correspondant à l'image reproduite dans les simulations. Contrairement aux observations par engins spatiaux, Vlasiator modélise l'ensemble de la cavité magnétosphérique d'une manière holiste dans laquelle les processus peuvent être suivis dans l'espace et le temps, ce qui constitue une avancée majeure. Le travail effectué dans le cadre du projet QUESPACE a défini de nouvelles normes pour les simulations en physique des plasmas spatiaux.
Mots‑clés
Magnétosphère, transfert d'énergie, vent solaire, QUESPACE, équation de Vlasov, Vlasiator
