Titanin vuorovaikutus Saturnuksen magnetosfäärin kanssa ja sen simulointi hybridimallilla

1. Titanin vuorovaikutus Saturnuksen magnetosfäärin kanssa ja sen simulointi hybridimallilla Ilkka Sillanpää Ilmatieteen laitos ja Helsingin yliopistonfysikaalisten tieteiden laitos I. Sillanpää Lectio Praecursoria28. helmikuuta 2008

2. Titanin vuorovaikutus Saturnuksen magnetosfäärin kanssa ja sen simulointi hybridimallilla Sisältö I Plasmasta ja magneettikentistä II Plasmavuorovaikutuksista III Saturnuksen Titan-kuu IV Tuloksia Titanin plasmaympäristöstä V Mallinkehitystyöstä VI Loppupäätelmät taustakuva: Frank Hettick I. Sillanpää Lectio Praecursoria28. helmikuuta 2008

3. plasma kaasu neste kiinteä Plasma ja magneettikentät 3 tavanomaista aineen olomuotoa: I. Sillanpää Lectio Praecursoria28. helmikuuta 2008 3/19

4. Plasma ja magneettikentät Plasma on sähköisesti varattuja hiukkasia: elektroneja ja ioneja Sähkö- ja magneettikentät vaikuttavat voimakkaasti plasmaan ja sen käyttäytymiseen. Plasmahiukkasten liike luo ja muokkaa ympäröiviä sähkömagneettisia kenttiä. I. Sillanpää Lectio Praecursoria28. helmikuuta 2008 4/19

5. Plasma ja magneettikentät Magneettikentät vaikuttavat voimakkaasti plasman käyttäytymiseen Maan magneettikenttä on hyvä esimerkki I. Sillanpää Lectio Praecursoria28. helmikuuta 2008 5/19

6. Plasmavuorovaikutukset Aurinko säteilee paitsi valoa myös magnetisoitunutta plasmaa eli aurinkotuulta I. Sillanpää Lectio Praecursoria28. helmikuuta 2008 6/19

7. Plasmavuorovaikutukset Merkurius Venus Kuu Mars I. Sillanpää Lectio Praecursoria28. helmikuuta 2008 7/19

8. Plasmavuorovaikutukset Jättiläisplaneettojen magnetosfäärit vuorovaikuttavat aurinkotuulen sekä omien kuidensa kanssa I. Sillanpää Lectio Praecursoria28. helmikuuta 2008 8/19

9. Kaavakuva Saturnuksen magnetosfääristä Titan Saturnuksen Titan-kuu I. Sillanpää Lectio Praecursoria28. helmikuuta 2008 9/19

10. Saturnuksen Titan-kuu Titanin peittää erittäin paksu oranssi sumuverho Pinnan muotoja on nähty vasta Cassini-luotaimen instrumenteilla Titan on ainoa kuu, jolla on kaasukehä. Vuorovaikutus Saturnuksen magnetosfäärin kanssa tapahtuu kaasukehän yläosien kanssa. I. Sillanpää Lectio Praecursoria28. helmikuuta 2008 10/19

11. Seuraus tästä tuloksesta on plasmavirtauksen kääntyminen lähellä kaasukehällistä kappaletta. Tuloksia plasmavuorovaikutuksesta Analyyttinen tulos: I. Sillanpää Lectio Praecursoria28. helmikuuta 2008 11/19

12. virtaus karkaavat ionit Simulaatiotuloksia Titanin plasmaympäristöstä Keskeistä simulaatiomallissa: ionien liikkeen tarkka mallinnus simulaatiohiukkasilla ja tämän liikkeen takaisinkytkentä sähkö- ja magneettikenttiin Alisooninen, kuuma plasmavirtaus: ei shokkia, kuten Marsilla ja Venuksella magneettikenttä ionitiheys konvektiivinen sähkökenttä magneettikentän suunta I. Sillanpää Lectio Praecursoria28. helmikuuta 2008 12/19

13. Simulaatiotuloksia Titanin plasmaympäristöstä I. Sillanpää Lectio Praecursoria28. helmikuuta 2008 13/19

14. O+ vuo Titanin kaasukehään Simulaatiotuloksia Titanin plasmaympäristöstä Titanin kaasukehään iskeytyy virtaushiukkasia – etenkin raskaampia happi-ioneja. O+ nopeusvektorit ja tiheys Titanin ympärillä I. Sillanpää Lectio Praecursoria28. helmikuuta 2008 14/19

15. Mallin kehitystyöstä Ionit mallinnetaan makrohiukkasilla Makrohiukkanen: Hiukkaspilvi, joka vastaa tiettyä määrää W oikeita hiukkasia Tätä pilveä liikutetaan siten kuin oikea yksittäinen hiukkanen liikkuisi sähkö- ja magneettikentissä. Pilvi vaikuttaa sähkömagneettisiin kenttiin niin kuin W kappaletta oikeaa hiukkasta. Makrohiukkasista lasketaan simulaatiohilaan ionivirta ja ionitiheys, joita tarvitaan sähkömagneettisen kentän laskemisessa. I. Sillanpää Lectio Praecursoria28. helmikuuta 2008 15/19

16. Mallin kehitystyöstä Koska makrohiukkasia on aina rajallinen määrä, tästä rajallisuudesta aiheutuu numeerista kohinaa. Makrohiukkasista laskettavat hilasuureet voidaan laskea usealla tavalla. Lähin hilapiste: Yhden hilavälin koko: I. Sillanpää Lectio Praecursoria28. helmikuuta 2008 16/19

17. Mallin kehitystyöstä Korkeamman asteen metodeja: Käytännössä yli yhden hilavälin suuruinen makrohiukkanen on epäkäytännöllinen. Tietyt silottamismenetelmät, joita olemme ottaneet käyttöön, vastaavat näitä korkeamman asteen menetelmiä. I. Sillanpää Lectio Praecursoria28. helmikuuta 2008 17/19

18. Mallin kehitystyöstä Mallikehitys on jatkuvaa. Nyt simulaatioiden resoluutiota ollaan voitu merkittävästi parantaa. magneettikenttä ionitiheys I. Sillanpää Lectio Praecursoria28. helmikuuta 2008 18/19

19. Cassinin ohilennot ja mittaukset eivät riitä yksinään antamaan kuvaa Titanin plasmaympäristössä vaikuttavista prosesseista. Tässä kolmiulotteinen mallinnus on välttämätöntä. Loppupäätelmät Väitöskirjassa tutkittuja asioita Titan-kuun vuorovaikutuksessa: - Yli- ja alisoonisen virtauksen vaikutus - Hiukkaspako eri puolilla Titanin rataa - Magneettinen kytkentä ja vertailu Cassinin ohilennon tuloksiin - Magneettikentän ja ionivirtauksen epäsymmetrisyys Titanin ympärillä - Hiukkasiskeytymät Titan yläilmakehään I. Sillanpää Lectio Praecursoria28. helmikuuta 2008

20. Loppu • Forward to Extra slides

21. 1. Kvasi-neutraali hybridimalli Hybridi: ionit mallinnetaan hiukkasina, elektronit esitetään nestekuvailulla Kvasi-neutraalisuus: elektronien varaustiheyden oletaan olevan sama kuin ionien ne = nionilajit Ioneja kiihdyttää Lorentzin voima  plasmadriftit, gyroliike toisinnetaan oikein Hiukkasliike ja sähkömagneettiset kentät ovat oikein kytkettyjä toisiinsa.

22. 1. Kvasi-neutraali hybridimalli Malliyhtälöt: Hiukkasten paikan ja nopeuden muutokset Paikka (1) Lorentzin voima (2) Maxwellin yhtälöt Ampèren laki (3) Faradayn induktiolaki (4) Muita Ohmin laki (5) Määritelmä sähkövirralle j(6) Kvasi-neutraalius (7) (ni on hiukkastiheys ja qi on ionilajin i sähkövaraus)

23. Macro-particle: A cloud of particles representing a certain number of particles (i.e. has statistical weight W) Propagated as a single particle would. Contributes to the fields as W such particles. 2. Our Quasi-neutral Hybrid Model • Global 3D model framework • Our code: • hierarchically enhanced • grid structure • splitting and joining of • macro-particles •  improved resolution

24. Parameterization of the FMI hybrid model: 2. Our Quasi-neutral Hybrid Model The C++ code needs only to be compiled once to run all the objects currently configured (Mars, Titan, Venus and Mercury) Ascii config file gives all the parameters for the grid and particle populations - partially using predefined functions e.g. ion production

25. random displacement (also in velocities) random displacement – otherwise fully determined 2. Our Quasi-neutral Hybrid Model Splitting and joining of macro-particles in the model To split or join or not: determined each timestep for each cell Probability for action increases as macro-particle number N differs more from the target number Ntarget N < Ntarget Splitting macro-particles: N > Ntarget  Joining macro-particles: Selection: First, one of the species present in the cell is chosen (towards making species more even) Highest weight within one species 3 nearest (and lightest) particles in velocity space within one species Process: 1 particle split in 2 particles (N N+1) 3 particles joined into 2 particles (N N-1)

26. 3. Data Driven Modelling - Mars, Titan, Venus, Moon, Mercury + Exoplanets FMI has provided hardware for numerous planetary space missions Space Research Unit at FMI has assumed a strategy that includes steps from the mission planning and instrument building all the way to data analysis and modelling FMI has provided hard/software for missions incl. Phobos, Mars96, MarsExpress, VenusExpress, Smart-1, Cassini/Huygens, Rosettaand the upcomingBepiColombo

27. 3. Venus with our Hybrid Model Venus modelling paper, PSS, 2006Kallio, Jarvinen and Janhunen VEX comparison paper submitted to PSS Letters, 2007 Kallio, Jarvinen, Sillanpää, Janhunen + Aspera 4 team PVO paper submitted to ASR, 2007Jarvinen, Kallio, Sillanpää and Janhunen Magnetic field data and simulation PVO orbit geometry

28. 4. Titan during T9 flyby Magnetic fieldlines drawn from Cassini’s trajectory during T9. Cassini passed through the middle of the wake at 5 RT(Titan’s radius RT =2575 km)

29. 4. Titan’s Asymmetric Tail IncidentH+ – H2+ and H+ densities To Saturn View from Saturn Exospheric H2+

30. 4. Titan’s Asymmetric Tail B B n X=-6 RT plane B n X=-2.5 RT plane To Saturn

31. In orbital plane: phi (longitude) theta (latitude) Flow direction + 0 0 B – E Magnetic field at the Exobase B

32. E Exopheric CH4+ at Exobase n

33. E Co-rotating O+ at Exobase n

34. E Co-rotating O+ precipitation on the Exobase n Flux Q = Vn x n Vn

35. E T9 Simulation – Field lines from Trajectory Flyby start

36. Above: view towards Saturn, trajectory crosses this plane at the white dot. To Saturn To Saturn Above: view from below the orbital plane. E T9 Simulation – X-component of magnetic field Below: view from the tail, trajectory in white.

37. To Saturn To Saturn E T9 Simulation – Total magnetic field Below: view from the tail, trajectory in white. Above: view towards Saturn, trajectory crosses this plane at the white dot. Above: view from below the orbital plane.

38. To Saturn To Saturn E T9 Simulation – Total ion density Below: view from the tail, trajectory in white. Above: view towards Saturn, trajectory crosses this plane at the white dot. Above: view from below the orbital plane.