Simulaatio löysi ratkaisuja avaruusfysiikan keskeiseen arvoitukseen

Maan lähiavaruudessa magneettikehän yöpuolella tapahtuu räjähtäviä plasmapurkauksia (plasmoideja), joihin liittyy myös revontulien äkillinen kirkastuminen. Helsingin yliopiston avaruusfysiikan ryhmä tutkii ja simuloi näitä Maan lähiavaruuden vaikeasti ennustettavia purkauksia Vlasiator -mallin avulla.

– Plasmoidiin liittyvät ilmiöt aiheuttavat voimakkaimpia mutta huonoiten ennustettavissa olevia magneettisia häiriöitä, jotka voivat vaikuttaa esimerkiksi sähköverkkojen toimintaan, sanoo Helsingin yliopiston avaruusfysiikan professori Minna Palmroth.

– Näitä purkauksia tapahtuu magneettikehän ”pyrstössä” päivittäin eri suuruisina.

Copernicus-mitalilla vastikään palkittu Palmroth on myös Kestävän avaruustieteen ja -tekniikan huippuyksikön johtaja, ja Vlasiator -mallinnusmenetelmän vastuullinen tutkija.

– Plasmoidiin johtava tapahtumaketju on yksi avaruusfysiikan pitkäaikaisimmista ratkaisemattomista kysymyksistä, johon on koetettu löytää ratkaisua jo 1960-luvulta, sanoo Palmroth.

Lähiavaruus on ainutlaatuinen paikka ymmärtää plasman purkauksia

Tapahtumien kulun selittämiseksi on ehdotettu kahta kilpailevaa ajatusmallia. Ensimmäinen ehdottaa, että magneettinen uudelleenkytkentä irrottaa plasmoidin magneettikehän pyrstöstä. Toisen selityksen mukaan kineettiset epästabiiliudet rikkovat pyrstöä ylläpitävän virtalevyn, mikä lopulta johtaa plasmoidin irtoamiseen. Alalla on kiistelty vuosikymmenet, kumpi ilmiö on pääosassa.

– Nyt näyttää siltä, että syy-seuraussuhteet ovatkin mutkikkaampia kuin on aiemmin ymmärretty, kertoo Palmroth.

Supertietokoneen laskentatehoa vaativa Vlasiator-simulaatio mallinsi maapallon lähiavaruuden ensimmäistä kertaa kuudessa ulottuvuudessa ja magneettikehän kokoa vastaavassa mittakaavassa. 6d-mallinnuksessa onnistuttiin kuvaamaan molempien ajatusmallien esittämät fysiikan ilmiöt.

– Kyseessä oli vaikea teknologinen haaste, jota kukaan muu ei ole pystynyt mallintamaan, sanoo Palmroth. Takana on yli 10 vuoden ohjelmistokehitys tuloksen saavuttamiseksi.

Tutkimuksessa pystyttiin siis osoittamaan, että sekä magneettinen uudelleenkytkentä että kineettinen epävakaus selittävät magneettikehän pyrstön toimintaa. Näennäisesti ristiriitaiset teoriat tapahtuvat itse asiassa molemmat ja samanaikaisesti. Epästabiilius ja uudelleenkytkentä myös kehittyy ja yhdistyy isommaksi purkaukseksi.

Tulos auttaa ymmärtämään, kuinka plasmapurkaukset voivat tapahtua. Tämä auttaa avaruusalusten ja -laitteiston suunnittelua, näiden tapahtumien havainnointia jatkotutkimusta varten ja parantaa avaruussään ennustettavuutta parantamalla lähiavaruuden ymmärtämistä.

Tutkimustulokset julkaistiin arvostetussa Nature Geoscience -tiedelehdessä.