Vlasiator From local to global magnetospheric hybrid-Vlasov simulations

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-336-001-3
Title: Vlasiator From local to global magnetospheric hybrid-Vlasov simulations
Author: Pfau-Kempf, Yann
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics
Finnish Meteorological Institute, Earth observation
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: The Sun is the source of the solar wind, a continuous stream of electrically charged particles and magnetic fields pervading the Solar system. Its interaction with the magnetic field of the Earth, in and around the region called the magnetosphere, controls the flow of matter and energy in near-Earth space. A fundamental understanding of the physical processes at play is crucial for the building of forecasting and warning systems, as the influence of the solar wind during space storms can harm life and technology in space and on the ground. These effects, collectively known as space weather, are one of the biggest albeit least understood natural threats to society. The research effort needed includes the development of observational methods as well as theories and models, to first describe and later predict the mechanisms and consequences of space weather. This doctoral thesis, comprising an introduction and four peer-reviewed articles, presents the hybrid-Vlasov model Vlasiator developed at the Finnish Meteorological Institute. Based on a detailed description of proton physics in space plasmas, Vlasiator allows to simulate both local contexts and the Earth's magnetosphere on global scales. This unprecedented capability is only accessible by harnessing the power of modern supercomputers. The aim of this work is threefold. The current version of Vlasiator is documented considering physical and computational aspects, the correctness of the simulations is demonstrated by comparing to analytical theories and spacecraft observations, and new scientific results gained with this model are presented.Auringosta lähtevä aurinkotuuli on koko Aurinkokunnassa leviävä sähköisesti varautuneiden hiukkasten ja magneettikenttien jatkuva virta. Sen vuorovaikutus Maan magneettikentän kanssa, erityisesti magneettikehäksi kutsutun alueen lähellä ja sisällä, määrittelee aineen ja energian vuon Maan lähiavaruudessa. Perusteellinen ymmärrys siinä esiintyvistä fysikaalisista prosesseista on keskeistä ennustus- ja varoitusmenetelmien rakentamisessa, sillä aurinkotuulen vaikutus avaruusmyrskyjen aikana saattaa vahingoittaa elämää ja teknologiaa avaruudessa ja Maassa. Nämä avaruussäänä tunnetut ilmiöt ovat yksi suurimmista vaikkakin vähiten ymmärretyistä luonnon uhista yhteiskunnalle. Tarvitaan lisää tutkimusta havaintomenetelmien, teorioiden ja mallien kehittämiseen, jotta avaruussään mekanismeja ja seurauksia voidaan ymmärtää ja ennustaa. Tämä väitöskirja koostuu yhteenvedosta ja neljästä vertaisarvioidusta julkaisusta. Se esittelee Ilmatieteen laitoksella kehitetyn Vlasiator-nimisen hybridi-Vlasov mallin. Vlasiator perustuu täsmälliseen avaruusplasman protonien fysiikan kuvaukseen, ja sen avulla voi mallintaa sekä pienen mittakaavan ilmiötä että Maan koko magneettikehän suuressa mittakaavassa. Tämä ennennäkemätön mallinnusmenetelmä on mahdollista vain nykyaikaisten suurtietokoneiden laskentatehoa hyödyntäen. Tällä työllä on kolme tavoitetta. Vlasiatorin nykyinen versio on dokumentoitu fysikaalisesta ja laskennallisesta näkökulmasta, mallin virheettömyys on todistettu verraten analyyttiseen teoriaan ja avaruusalusten havaintoihin, ja tämän mallin tuottamia uusia tieteellisiä tuloksia on esitelty.Le Soleil est la source du vent solaire, un flot continu de particules chargées électriquement et de champs magnétiques se propageant dans le Système solaire. Son interaction avec le champ magnétique de la Terre, dans et autour de la région de la magnétosphère, contrôle les courants de matière et d énergie dans l espace proche de la Terre. Une compréhension fondamentale des processus physiques en jeu est cruciale pour la construction de systèmes de prédiction et d alerte, étant donné que l influence du vent solaire lors de tempêtes spatiales peut nuire à la vie et aux technologies dans l espace et au sol. Ces effets, collectivement définis comme la météorologie spatiale, sont une des plus grandes menaces naturelles pour la société tout en étant l une des moins bien comprises. L effort de recherche nécessaire inclut le développement de méthodes d observation ainsi que de théories et de modèles pour permettre de comprendre puis de prédire les mécanismes et les conséquences de la météorologie spatiale. Cette thèse doctorale, qui se compose d une introduction et de quatre articles évalués par des pairs, présente le modèle hybride-Vlasov Vlasiator développé à l Institut Météorologique de Finlande. Fondé sur une description détaillée de la physique des protons dans les plasmas spatiaux, Vlasiator permet de simuler à la fois des contextes locaux et la magnétosphère de la Terre à l échelle globale. Cette possibilité sans précédent est uniquement accessible en exploitant la puissance des supercalculateurs modernes. L objectif de ce travail est triple. La version actuelle de Vlasiator est documentée en considérant les aspects physiques et numériques, la justesse des simulations est démontrée par la comparaison avec des théories analytiques et des observations spatiales, et de nouveaux résultats scientifiques obtenus avec ce modèle sont présentés.Von der Sonne geht der Sonnenwind aus, ein sich im Sonnensystem ausbreitender, stetiger Fluss elektrisch geladener Teilchen und Magnetfelder. Seine Wechselwirkung mit dem Erdmagnetfeld, innerhalb und nahe der sogenannten Magnetosphäre, bestimmt die Bewegung von Materie und Energie im erdnahen Weltraum. Grundsätzliches Verständnis der stattfindenden physikalischen Prozesse ist unumgänglich um Vorhersage und Warnsysteme zu entwerfen, da der Einfluss des Sonnenwinds während Weltraumstürmen Leben und Technologie im Weltall und auf der Erde gefährden kann. Diese als Weltraumwetter bezeichneten Effekte stellen eine der größten, obgleich am wenigsten verstandenen natürlichen Bedrohungen für die Gesellschaft dar. Der erforderte Forschungsaufwand beinhaltet die Entwicklung von Beobachtungsmethoden, Theorien und Modellen um die Mechanismen und Folgen des Weltraumwetters zunächst zu verstehen und dann vorherzusagen. Diese Dissertation, bestehend aus einer Einleitung und vier von Fachleuten begutachteten Artikeln, stellt das am Finnischen Meteorologischen Institut entwickelte hybrid-Vlasov-Modell Vlasiator vor. Es beruht auf einer umfassenden Repräsentation der Protonenphysik in Weltraumplasmen und erlaubt es, sowohl lokale Systeme als auch die Magnetosphäre der Erde auf globaler Skala zu simulieren. Diese beispiellose Möglichkeit ist nur dadurch erreichbar, dass die Leistung von modernen Superrechnern genutzt wird. Diese Arbeit hat ein dreifaches Ziel. Die aktuelle Version von Vlasiator wird unter Berücksichtigung von physikalischen und numerischen Aspekten dokumentiert, die Korrektheit der Simulationen wird durch den Vergleich zu analytischen Theorien und Satellitenbeobachtungen bewiesen und neue, mit diesem Modell erzeugte wissenschaftliche Ergebnisse werden präsentiert.
URI: URN:ISBN:978-952-336-001-3
http://hdl.handle.net/10138/168994
Date: 2016-12-01
Subject: theoretical physics
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
vlasiato.pdf 24.65Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record