Magnetosfäärin pyrstön rekonnektioalue MHD-simulaatiossa

Transkriptio

1 Magnetosfäärin pyrstön rekonnektioalue MHD-simulaatiossa T. V. Laitinen 1, T. I. Pulkkinen 2, M. Palmroth 2, P. Janhunen 2 ja H. E. J. Koskinen 1,2 1 Helsingin yliopiston fysikaalisten tieteiden laitos, tiera.laitinen@helsinki.fi 2 Ilmatieteen laitoksen avaruuden ja yläilmakehän tutkimus Abstract We use the Gumics-4 global magnetohydrodynamic simulation to study a magnetic reconnection process occurring between the tail lobes of the terrestrial magnetosphere. We find that in the simulation, tail reconnection is a central feature of the energy circulation but nevertheless a secondary process, being directly driven by the energy input from the magnetopause. 1. JOHDANTO Ihmiskunta kurkottautuu avaruuteen. Satelliitit välittävät merkittävän osan maailman viestiliikenteestä, ohjaavat laivojen ja maantieliikenteen kulkua ja tarkkailevat niin säätä kuin säätiedotuksia seuraavaa maanviljelijääkin. Miehitetyt lennot kiertoradalle ovat arkipäivää, ja uusista matkoista Kuuhun sekä Marsiin unelmoidaan. Jatkuvasti lisääntyvä avaruustoiminta on tuonut lähiavaruutemme ilmiöille tieteellisen mielenkiinnon ohella vahvaa käytännön merkitystä. Magneettikehän plasmojen keskellä joutuvat selviytymään niin astronautit kuin sijoittajien kalliit satelliititkin. Näiden suojelua auttaisi merkittävästi, jos suurienergiaisten hiukkasten ryöpyt ja muut vaaralliset ilmiöt pystyttäisiin ennustamaan luotettavasti parin päivän tai edes parin tunnin varoitusajalla. Tähän tarvitaan aurinkotuulen, magnetosfäärin ja ionosfäärin muodostaman plasmasysteemin perusteellista ymmärtämistä. Magnetosfäärin rakenteesta ja sen dynamiikan peruslinjoista pystyttiin koostamaan varsin kattava yleiskuva satelliittihavaintojen avulla viime vuosisadan loppupuolella. Vaikka satelliiteilla on edelleen ohittamaton merkityksensä ainoina suoran in situ -havaintotiedon lähteinä, tutkimuksen eteneminen on vaatinut käyttöönsä myös uusia välineitä. Kokonaiskuvan rakentaminen laajoilla alueilla avaruudessa muutaman tunnin aikaskaalassa etenevistä monimutkaisista dynaamisista prosesseista ei onnistu vain muutaman jokseenkin satunnaisissa paikoissa tapahtuvan pistemittauksen avulla. Tässä tehtävässä täyslaajuiset simulaatiot ovat verraton apu, sillä ne mallintavat koko vuorovaikutussysteemiä itsekonsistentisti ja tarvitsevat ulkoiseksi reunaehdoksi vain tiedot aurinkotuulen ominaisuuksista. Niiden plasmafysikaalisena perustana on magnetohydrodynamiikka (MHD) eli sähkömagneettisilla ilmiöillä täydennetty hydrodynamiikka, sillä tietokoneiden laskenta- ja muistikapasiteetti eivät toistaiseksi salli koko magnetosfäärin tarkempaa mallinnusta esimerkiksi kineettisen kuvailun avulla. MHD:n tuottama kuva vahvasti epätermisiä hiukkaspopulaatioita sisältävistä rajakerroksista ja sisämagnetosfääristä on puutteellinen, eivätkä simulaatiot mallinna oikein esimerkiksi rengasvirtaa tai plasmasfääriä. Toisaalta MHD kuvaa erittäin hyvin aurinkotuulen ja ulomman magnetosfäärin plasmoja, ja nykyiset 117

2 simulaatiot mallintavat magnetosfäärin dynamiikan pääpiirteet varsin hyvin havaintojen kanssa yhteensopivalla tavalla. Ilmatieteen laitoksessa on kehitetty Euroopan ainoa täyslaajuinen magnetosfääri ionosfäärisimulaatio Gumics-4 (Janhunen 1996). Siinä magnetohydrodynaaminen magnetosfääriosa on kytketty sähköstaattisesti mallinnettuun ionosfääriin. Magnetosfääriosa käyttää edistyksellistä puoliautomaattisesti mukautuvaa hilaa, joka kohdentaa parhaan erottelukyvyn mielenkiintoisimpiin ja hienorakenteisimpiin alueisiin. Sen sisäreuna on 3,7 Maan säteen etäisyydellä Maan keskipisteestä, ja sieltä kentänsuuntaiset sähkövirrat sekä elektronisadanta kuvataan ionosfääriin Maan dipolikentän kenttäviivoja pitkin. Ionosfäärissä mallinnetaan ensin johtavuus, jonka avulla lasketaan sähkövirrat ja sähköstaattinen potentiaali. Tässä tutkimuksessa selvitämme rekonnektioksi kutsutun ilmiön osuutta Gumicsin magnetosfäärin pyrstössä. 2. REKONNEKTIO MAGNETOSFÄÄRISSÄ Magneettinen rekonnektio on kenttäviivojen uudelleen kytkeytymisestä aiheutuvaa magneettikentän topologian muuttumista, joka tyypillisesti tapahtuu kahden erisuuntaisen magneettikentän välisellä virtalevyllä. Rekonnektiosta on mielekästä puhua vain plasmaympäristössä, jossa magneettikenttä on jäätynyt kiinni plasmaan; magneettikehä on juuri tällainen ympäristö. Kenttäviivojen uudelleen kytkeytyminen on tämän jäätymisehdon rikkoutumista. Lisäksi rekonnektioprosessin kokonaisuuteen saattaa kuulua esimerkiksi diffuusioalueeseen rajoittuvia sokkirintamia. Rekonnektiolla on kaksi avaruusplasmaympäristöissä hyvin merkittävää vaikutusta: ensinnäkin se avaa yhteyden kahden magneettisen alueen välille ja päästää plasmaa virtaamaan alueesta toiseen, ja toiseksi se vapauttaa magneettikenttään varastoitunutta energiaa plasman mekaaniseksi energiaksi. päiväpuolen rekonnektio läheinen neutraaliviiva etäinen neutraaliviiva Kuva 1. Magnetosfäärin rekonnektioalueet Magneettikehässä puolestaan on kaksi tärkeää rekonnektioseutua, magnetopausi ja pyrstölohkojen välinen virtalevy. Magnetopausilla rekonnektion nopeus ja tarkempi sijainti riippuvat aurinkotuulen magneettikentän suunnasta, joka vaihtelee melko satunnaisesti. Sen ollessa eteläinen rekonnektio on voimakkainta ja tapahtuu magnetopausin nokalla. Silloin aurinkotuulen plasma pääsee parhaiten virtaamaan magnetosfääriin, mikä voimistaa 118

3 magnetosfäärin sisäistä virtauskiertoa ja magneettisen energian kertymistä pyrstöön. Kasaantunutta magneettivuota ja energiaa vapauttaa pyrstölohkojen välissä tapahtuva rekonnektio. Heikkoa rekonnektiota tapahtunee jokseenkin jatkuvasti kaukana pyrstössä, etäisellä neutraaliviivalla Maan säteen etäisyydellä, mutta jos energiansyöttö aurinkotuulesta on voimakasta, kaukainen pyrstörekonnektio ei ehdi purkaa virtauskierron mukana pyrstöön kertyvää magneettivuota. Energian varastoituminen johtaa lopulta alimyrskyn käynnistymiseen. Alimyrsky on magnetosfäärin dynamiikan perusprosessi, joka havaitaan Maan pinnalla revontulina ja magneettisina häiriöinä. Alimyrskyyn liittyy keskeisesti pyrstössä lähellä Maata, Maan säteen etäisyydellä, syntyvä suhteellisen lyhytkestoinen rekonnektio. Sen alkamista läheisen neutraaliviivan muodostuessa pidetään nykyään alimyrskyn käynnistymisen todennäköisimpänä syynä, joskaan tästä ei ole kiistatonta näyttöä. Joka tapauksessa rekonnektiota tarvitaan pyrstöön kertyneen magneettivuon ylimäärän purkamiseen, ja muuntaessaan magneettista energiaa plasman mekaaniseksi energiaksi rekonnektio on tärkeä alimyrskyn moottori (esim. Baker ym. 1996). 3. LÄHEISEN NEUTRAALIVIIVAN ALUE GUMICS-SIMULAATIOSSA Rekonnektion tunnistaminen simulaatiotuloksista ei ole triviaalia, koska se on laajan mittakaavan monivaikutuksinen prosessi, jota mikään yksittäinen suure ei tyhjentävästi kuvaa. Me ryhdyimme etsimään sitä magneettikentän geometrian avulla. Magnetosfäärin pyrstössä tähän tarjoaa hyvän lähtökohdan pyrstölohkojen välisen virtalevyn paikantaminen. Aluksi haemme siis pinnan, jolla magneettikentän pyrstön suuntaisen komponentin merkki vaihtuu. Tältä pinnalta etsimme seuraavaksi magneettikentän normaalikomponentin merkinvaihdoksen. Näin löydetty viiva on rekonnektiogeometriassa keskeinen x-viiva. Sellaisen olemassaolo ei kuitenkaan yksinään riitä todisteeksi rekonnektiosta. X-viivan kulkua noudattelee simulaatiotuloksissamme plasmanjakaja, viiva, jolla pyrstölohkoista virtalevylle tuleva plasma jakautuu kahdeksi vastakkaissuuntaiseksi virtaukseksi: kohti Maata ja pyrstöön päin. Se on toinen tärkeä rekonnektion tunnusmerkki. Kolmas löytyy tutkimalla virrantiheyden käyttäytymistä: se osoittaa, että virtalevy on kyseisessä alueessa voimakkaasti ohentunut. Neljäs todiste ovat plasman nopeat ulosvirtaukset. Nämä ovat perinteisiä rekonnektion tunnusmerkkejä, joiden avulla sitä on paikallisettu satelliittihavaintojenkin avulla (esim. Nagai ym. 1998). Simulaatiossa on lisäksi mahdollista mitata suoraan rekonnektion energianmuuntotehoa laskemalla Poyntingin vektorin divergenssi. X-viivan ja plasmanjakajan sisältävä ohentuneen virtalevyn alue osoittautuukin vahvaksi Poyntingin vuon nieluksi. Kaikki tässä luetellut piirteet yhdessä osoittavat, että Gumicsissa ilmenee selvästi rekonnektioksi tunnistettava prosessi. Rekonnektion mittaamisen perustaksi otamme sen energianmuunto-ominaisuuden. Laskemme rekonnektioalueeseen menevän Poyntingin vuon nettomäärän, jolloin tuloksena on teho, jolla rekonnektio hävittää sähkömagneettista energiaa. Pyrstörekonnektio osoittautuu varsin merkittäväksi tekijäksi simuloidun magnetosfäärimme energiataloudessa: tyypillisen alimyrskyn aikana rekonnektioteho on yhden terawatin suuruusluokkaa, mikä on noin puolet kaikesta magnetosfääriin magnetopausin läpi samaan aikaan tulevasta energiasta. Näiden kahden tehon aikakehitystä on verrattu kuvassa 2. Siinä on lisäksi mukana ionosfäärissä dissipoituva teho, joka koostuu Joulen lämmityksestä sekä elektronisadannasta. Kaikki kolme 119

4 käyrää ovat hyvin samanmuotoiset, ja tapahtumien aikajärjestys on odotusten mukainen: muutokset näkyvät ensin magnetopausilla, sitten pyrstössä ja ionosfäärissä. Kuva 2. Aurinkotuulesta magnetopausin läpi magnetosfääriin tuleva, pyrstörekonnektion muuntama sekä ionosfäärin kuluttama teho ajan funktiona tapahtuneen heikohkon alimyrskyn aikana Gumicsin mukaan. Käyrät on skaalattu, ja niiden todelliset maksimitasot ovat: magnetopausi 1,7 TW, rekonnektio 0,74 TW, ionosfääri 20 GW. Gumics tuottaa siis selvästi pyrstön Maan-läheiseksi rekonnektioksi tunnistettavan ilmiön, joka on keskeinen tekijä magnetosfäärin energiavirtauksissa. Se on kuitenkin täysin passiivinen ilmiö siinä mielessä, että sen voimakkuus on suoraan verrannollinen magnetopausilta tulevaan energiansyöttöön. Simulaatio ei siis tuota sellaista lataa ja laukaise -sykliä, jollaisesta oikeassa magnetosfäärissä on havaittu selviä merkkejä. Tämä johtunee käytetystä ideaali-mhd-aproksimaatiosta, jonka tuottama rekonnektio on heikkoa verrattuna moniin muihin numeerisiin menetelmiin (Birn ym. 2001). Simulaatiotuloksemme tukevat kuitenkin osaltaan teorioita rekonnektion merkittävästä osuudesta magnetosfäärin dynamiikassa, ja kertovat niin magnetohydrodynamiikan mahdollisuuksista kuin sen rajoituksistakin. LÄHTEET Baker, D. N., T. I. Pulkkinen, V. Angelopoulos, W. Baumjohann, R. L. McPherron, Neutral line model of substorms: Past results and present view. J. Geophys. Res., 101, Birn, J. ym., Geospace Environmental Modeling (GEM) Magnetic Reconnection Challenge. J. Geophys. Res., 106,

5 Janhunen, P., GUMICS-3 a global ionosphere-magnetosphere coupling simulation with high ionospheric resolution. Proc. Environmental Modelling for Space-Based Applications, Sept (ESTEC, ESA SP-392). Nagai, T. ym., Structure and dynamics of magnetic reconnection for substorm onsets with Geotail observations, J. Geophys. Res., 103,

6 122