Titanin vuorovaikutus Saturnuksen magnetosfäärin kanssa ja sen simulointi hybridimallilla Ilkka Sillanpää Ilmatieteen laitos ja Helsingin yliopiston fysikaalisten tieteiden laitos I. Sillanpää Lectio Praecursoria 28. helmikuuta 2008

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 Praecursoria 28. helmikuuta 2008

Plasma ja magneettikentät 3 tavanomaista aineen olomuotoa: kaasu neste kiinteä I. Sillanpää Lectio Praecursoria 28. helmikuuta 2008 3/19

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 Praecursoria 28. helmikuuta 2008 4/19

Plasma ja magneettikentät Magneettikentät vaikuttavat voimakkaasti plasman käyttäytymiseen Maan magneettikenttä on hyvä esimerkki I. Sillanpää Lectio Praecursoria 28. helmikuuta 2008 5/19

Plasmavuorovaikutukset Aurinko säteilee paitsi valoa myös magnetisoitunutta plasmaa eli aurinkotuulta I. Sillanpää Lectio Praecursoria 28. helmikuuta 2008 6/19

Plasmavuorovaikutukset Merkurius Venus Mars Kuu I. Sillanpää Lectio Praecursoria 28. helmikuuta 2008 7/19

Plasmavuorovaikutukset Jättiläisplaneettojen magnetosfäärit vuorovaikuttavat aurinkotuulen sekä omien kuidensa kanssa I. Sillanpää Lectio Praecursoria 28. helmikuuta 2008 8/19

Saturnuksen Titan-kuu Kaavakuva Saturnuksen magnetosfääristä Titan I. Sillanpää Lectio Praecursoria 28. helmikuuta 2008 9/19

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 Praecursoria 28. helmikuuta 2008 10/19

plasmavuorovaikutuksesta Tuloksia plasmavuorovaikutuksesta Analyyttinen tulos: Seuraus tästä tuloksesta on plasmavirtauksen kääntyminen lähellä kaasukehällistä kappaletta. I. Sillanpää Lectio Praecursoria 28. helmikuuta 2008 11/19

Titanin plasmaympäristöstä 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 virtaus karkaavat ionit konvektiivinen sähkökenttä magneettikentän suunta I. Sillanpää Lectio Praecursoria 28. helmikuuta 2008 12/19

Titanin plasmaympäristöstä Simulaatiotuloksia Titanin plasmaympäristöstä I. Sillanpää Lectio Praecursoria 28. helmikuuta 2008 13/19

Titanin plasmaympäristöstä Simulaatiotuloksia Titanin plasmaympäristöstä Titanin kaasukehään iskeytyy virtaushiukkasia – etenkin raskaampia happi-ioneja. O+ nopeusvektorit ja tiheys Titanin ympärillä O+ vuo Titanin kaasukehään I. Sillanpää Lectio Praecursoria 28. helmikuuta 2008 14/19

Hiukkaspilvi, joka vastaa tiettyä määrää W oikeita hiukkasia 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 Praecursoria 28. helmikuuta 2008 15/19

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 Praecursoria 28. helmikuuta 2008 16/19

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 Praecursoria 28. helmikuuta 2008 17/19

Mallin kehitystyöstä Mallikehitys on jatkuvaa. magneettikenttä Nyt simulaatioiden resoluutiota ollaan voitu merkittävästi parantaa. ionitiheys magneettikenttä I. Sillanpää Lectio Praecursoria 28. helmikuuta 2008 18/19

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 Cassinin ohilennot ja mittaukset eivät riitä yksinään antamaan kuvaa Titanin plasmaympäristössä vaikuttavista prosesseista. Tässä kolmiulotteinen mallinnus on välttämätöntä. I. Sillanpää Lectio Praecursoria 28. helmikuuta 2008

Loppu Forward to Extra slides

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.

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)

2. Our Quasi-neutral Hybrid Model Global 3D model framework Our code: hierarchically enhanced grid structure splitting and joining of macro-particles  improved resolution 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 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 Parameterization of the FMI hybrid model:

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) random displacement – otherwise fully determined random displacement (also in velocities)

3. Data Driven Modelling + Exoplanets - 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, Rosetta and the upcoming BepiColombo

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

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)

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

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

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

E Exopheric CH4+ at Exobase n

E Co-rotating O+ at Exobase

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

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

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