Magnetosfäärin pyrstön rekonnektioalue MHD-simulaatiossa

Samankaltaiset tiedostot
Tiera Laitinen Aurinko Maa-kytkennän tutkijaseminaarissa Helsingin yliopistossa

Jupiterin magnetosfääri. Pasi Pekonen 26. Tammikuuta 2009

IONOSPHERIC PHYSICS, S, KEVÄT 2017 REVONTULIALIMYRSKY

REKONNEKTIO MAAN MAGNETOSFÄÄRISSÄ

Magneettisten myrskyjen ajajista

1.1 Magneettinen vuorovaikutus

Aurinkotuulen dynaamisen paineen muutosten vaikutus ionosfäärin dynamiikkaan

S09 04 Kohteiden tunnistaminen 3D datasta

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

Lataa Johdatus plasmafysiikkaan ja sen avaruussovellutuksiin - Hannu Koskinen. Lataa

Monimuotoinen Aurinko: Aurinkotutkimuksen juhlavuosi

Aurinko. Tähtitieteen peruskurssi

Vuonna 2001 julkaistusta oppikirjasta: Johdatus plasmafysiikkaan ja sen avaruussovellutuksiin löytyneitä paino- ja muitakin virheitä

Magneettikenttä. Liikkuva sähkövaraus saa aikaan ympärilleen sähkökentän lisäksi myös magneettikentän

Magneettikentät. Haarto & Karhunen.

MAAN MAGNEETTIKENTÄN IHMEELLISYYKSIÄ: NAPAISUUSKÄÄNNÖKSET

1 Johdanto Mikä tämä kurssi on Hieman taustaa Elektrodynamiikan perusrakenne Kirjallisuutta... 8

Sähköstatiikka ja magnetismi

Nopean aurinkotuulen vaikutukset ionosfäärissä. Hannu Kaaretkoski

Fysiikka 7. Sähkömagnetismi

Häiriöt kaukokentässä

PHYS-C6360 Johdatus ydinenergiatekniikkaan (5op), kevät 2016

Luku 27. Tavoiteet Määrittää magneettikentän aiheuttama voima o varattuun hiukkaseen o virtajohtimeen o virtasilmukkaan

Tähtien magneettinen aktiivisuus; 1. luento

RATKAISUT: 19. Magneettikenttä

Revontulet matkailumaisemassa

Aiheena tänään. Virtasilmukka magneettikentässä Sähkömagneettinen induktio. Vaihtovirtageneraattorin toimintaperiaate Itseinduktio

FYSIIKAN LABORATORIOTYÖT 2 MAGNEETTIKENTTÄTYÖ

Lataa Avaruuden valloitus - Hannu Karttunen. Lataa

Globaali virtapiiri. Reko Hynönen

VAASAN YLIOPISTO TEKNILLINEN TIEDEKUNTA SÄHKÖTEKNIIKKA. Jouko Esko n85748 Juho Jaakkola n Dynaaminen Kenttäteoria GENERAATTORI.

Avaruussää. Tekijä: Kai Kaltiola

Avaruussää ja Auringon aktiivisuusjakso: Aurinko oikuttelee

Magneettinen energia

Magnetismi Mitä tiedämme magnetismista?

2 Staattinen sähkökenttä Sähkövaraus ja Coulombin laki... 9

Avaruusaluksen ja satelliitin radan muuttaminen ilman ajoainetta: sähköpurje ja plasmajarru

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos

DEE-11110: SÄHKÖTEKNIIKAN PERUSTEET

Mikrotila Makrotila Statistinen paino Ω(n) 3 Ω(3) = 4 2 Ω(2) = 6 4 Ω(4) = 1

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 10: Stokesin lause

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos

Sisällys. Esipuhe... 7 Johdanto... 8

Koronan massapurkaukset ja niiden synty. Sanni Hoilijoki Teoreettisen fysiikan syventävien opintojen seminaari

Fysiikka 8. Aine ja säteily

Maapallon magneettisen peruskentän aikavaihtelujen ääriarvoja

Magnetismi Mitä tiedämme magnetismista?

Ilmastonmuutoksen vaikutukset tiemerkintäalaan

Lääkintälaitejärjestelmät ja toimenpidetilat sähkömagneettisten häiriöiden näkökulmasta ja häiriöproblematiikan tarkastelu

Avaruussääriskit Brent Walker yhteenveto. Prof. Eija Tanskanen Ilmatieteen laitos, Avaruussääryhmä

8a. Kestomagneetti, magneettikenttä

Menetelmäohjeet. Muuttuvan magneettikentän tutkiminen

Fysiikan kurssit suositellaan suoritettavaksi numerojärjestyksessä. Poikkeuksena kurssit 10-14, joista tarkemmin alla.

LEGO EV3 Datalogging mittauksia

Elektrodynamiikka, kevät 2008

Finnish space research activities within IPY

Ihan oikea esimerkki. Luku 16

ASTROFYSIIKAN TEHTÄVIÄ VI

KESTOMAGNEETTI VAASAN YLIOPISTO TEKNILLINEN TIEDEKUNTA SÄHKÖTEKNIIKKA. Jani Vitikka p87434 Hannu Tiitinen p Dynaaminen kenttäteoria SATE2010

ELEKTROMAGNEETTISET VOIMAT SAMANSUUNTAISISSA VIRTA- JOHDOISSA

Jännite, virran voimakkuus ja teho

PYP I / TEEMA 8 MITTAUKSET JA MITATTAVUUS

Yhtälöryhmät 1/6 Sisältö ESITIEDOT: yhtälöt

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

RATKAISUT: 22. Vaihtovirtapiiri ja resonanssi

Potentiaali ja sähkökenttä: pistevaraus. kun asetetaan V( ) = 0

VOIMALASÄÄTIMET Sivu 1/ FinnPropOy Puhelin: Y-tunnus:

#vihreillävaloillamennään

Higgsin bosonin etsintä CMS-kokeessa LHC:n vuosien 2010 ja 2011 datasta CERN, 13 joulukuuta 2011

9. Tila-avaruusmallit

Ilmastonmuutoksen vaikutukset säähän Suomessa

Rajoitetun kantaman ja pitkän kantaman luotien kehitys ja stabiliteettitarkastelut (RaKa-Stab vaihe 2, )

Lataa Avaruussää - Heikki Nevanlinna. Lataa

Kannattaa opetella parametrimuuttujan käyttö muidenkin suureiden vaihtelemiseen.

Elektrodynamiikan tenttitehtäviä kl 2018

Kertaus 3 Putkisto ja häviöt, pyörivät koneet. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

Dislokaatiot - pikauusinta

Virtauslaskentaan liittyvä tutkimus TKK:n koneosastolla. Timo Siikonen

SATE1120 Staattinen kenttäteoria kevät / 5 Laskuharjoitus 14: Indusoitunut sähkömotorinen voima ja kertausta magneettikentistä

Kenttäteoria. Viikko 10: Tasoaallon heijastuminen ja taittuminen

Tfy Fysiikka IIB Mallivastaukset

Ihan oikea esimerkki. Luku 17

TÄSSÄ ON ESIMERKKEJÄ SÄHKÖ- JA MAGNETISMIOPIN KEVÄÄN 2017 MATERIAALISTA

Teoreetikon kuva. maailmankaikkeudesta

12. Derivointioperaattoreista geometrisissa avaruuksissa

g-kentät ja voimat Haarto & Karhunen

Socca. Pääkaupunkiseudunsosiaalialan osaamiskeskus. Vaikuttavuuden mittaaminen sosiaalihuollossa. Petteri Paasio FL, tutkija

Magneettikenttä väliaineessa

Kapasitiivinen ja induktiivinen kytkeytyminen

Rauman normaalikoulun opetussuunnitelma 2016 Fysiikka vuosiluokat 7-9 KUVA PUUTTUU

Lääkintähelikopterikaluston mallintaminen

Mistä on kyse? Pilvien luokittelu satelliittikuvissa. Sisältö. Satelliittikartoitus. Rami Rautkorpi Satelliittikartoitus

Kokeellisen tiedonhankinnan menetelmät

Yleistä sähkömagnetismista SÄHKÖMAGNETISMI KÄSITEKARTTANA: Varaus. Coulombin voima Gaussin laki. Dipoli. Sähkökenttä. Poissonin yhtälö.

Virrankuljettajat liikkuvat magneettikentässä ja sähkökentässä suoraan, kun F = F eli qv B = qe. Nyt levyn reunojen välinen jännite

SMG-4500 Tuulivoima. Viidennen luennon aihepiirit YLEISTÄ ASIAA GENERAATTOREISTA

Harjoitustehtäviä kokeeseen: Sähköoppi ja magnetismi

Harjoitustyö, joka on jätetty tarkastettavaksi Vaasassa

Maan ja avaruuden välillä ei ole selkeää rajaa

Osoita, että kaikki paraabelit ovat yhdenmuotoisia etsimällä skaalauskuvaus, joka vie paraabelin y = ax 2 paraabelille y = bx 2. VASTAUS: , b = 2 2

Transkriptio:

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

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

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 100 200 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, 20 30 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

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 15.8.2001 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, 1996. Neutral line model of substorms: Past results and present view. J. Geophys. Res., 101, 12 975 13 010. Birn, J. ym., 2001. Geospace Environmental Modeling (GEM) Magnetic Reconnection Challenge. J. Geophys. Res., 106, 3715 3719. 120

Janhunen, P., 1996. GUMICS-3 a global ionosphere-magnetosphere coupling simulation with high ionospheric resolution. Proc. Environmental Modelling for Space-Based Applications, 18-20 Sept. 1996 (ESTEC, ESA SP-392). Nagai, T. ym., 1998. Structure and dynamics of magnetic reconnection for substorm onsets with Geotail observations, J. Geophys. Res., 103, 4419. 121

122