A.I.K.E.F.: An Adaptive Hybrid Model with Application to Fossil Fields at Titan and Mercury’s Double Magnetopause

Müller, Joachim

A wide range of methods is available to numerically model space plasma processes. Dealing with scales comparable to ion gyration radii (e.g. Mars, Titan or Mercury), a hybrid model is the most convenient choice. It treats the electrons as a ?uid, whereas a completely kinetic approach is retained to cover ion dynamics. From the numerical point of view it can be categorized as a particle-mesh model. The ion representing particles interact with the electron fluid that is defined on the numerical mesh, where the spatial mesh resolution governs the scale of resolvable processes. Within the framework of this thesis an adaptive hybrid simulation code is developed and labelled A.I.K.E.F. (Adaptive Ion-Kinetic Electron-Fluid). Adaptivity is implemented by means of block Adaptive Mesh Re?nement (AMR), i..e. the computational domain is initially composed out of blocks that can be further refined into 8 sub blocks (in three dimensions). However, the common rule that a block must be either completely refined or not at all is relaxed thereby achieving a higher flexibility and improved mesh adaptation to plasma features of interest. This modification is referred to as hybrid-block-AMR. In order to ensure a reasonable number of particles in each block, particles are split up or merged when crossing refinement boundaries. The A.I.K.E.F. simulation model is used to model Titan’s and Mercury’s plasma environment. In particular it has been possible to resolve magnetic fine structures which are not accessible to standard hybrid simulation codes. An explanation for the double magnetopause signature that has been observed during the first MESSENGER spacecraft flyby at Mercury is provided. During the CASSINI spacecraft T-32 flyby at Titan fossilized magnetic fields have been detected in the satellite’s ram side ionosphere. These structures are modelled and analysed via the A.I.K.E.F. simulation model by using significantly enhanced local mesh resolution inside Titan's ionosphere.

Es existieren zahlreiche Methoden, um Weltraumplasmen numerisch zu modellieren. Wenn die Skalen der zu analysierenden Objekte vergleichbar mit dem Gyrationsradius der Ionen sind (wie z.B. die Plasmaumgebungen von Mars, Titan oder Merkur), ist die Hybrid Näherung die geeignetste Methode. Sie beschreibt die Elektronen des Plasmas als Fluid während die Ionen anhand von numerischen Partikeln vollständig kinetisch modelliert werden. Die Ionen wechselwirken dabei mit dem Elektronenfluid, dessen physikalische Eigenschaften auf den Knoten eines numerischen Gitters definiert sind. Die Gitterauflösung bestimmt dabei die Größe der beobachtbaren Strukturen. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde ein adaptiver Hybrid Simulationscode entwickelt, der im Folgenden als A.I.K.E.F. (Adaptive Ion-Kinetic Electron-Fluid) bezeichnet wird. Adaptivität ist anhand von Block Adaptiver Gitterverfeinerung (AMR) implementiert, d.h. das gesamte numerische Gitter wird zunächst aus groben Gitterblöcken zusammengesetzt. Jeder Block kann bei Bedarf sukzessive in höhere aufgelöste Blöcke verfeinert werden, wobei sich die Auflösung bei jeder Verfeinerung verdoppelt. Um eine angemessene Anzahl an Partikeln in jedem Block zu gewährleisten, werden Partikeln beim Überqueren von Bereichen unterschiedlicher Auflösung entweder zerteilt oder zusammengefügt. Der A.I.K.E.F. Simulationscode wurde zur Modellierung der Plasmaumgebungen von Merkur und Titan verwendet. Insbesondere ist es gelungen, magnetische Feinstrukturen zu erfassen, deren Modellierung mit bisherigen Hybrid Simulationscodes nicht möglich war. So wird eine Analyse und mögliche Erklärung für die Doppelmagnetopause bei Merkur geliefert, die während des ersten Vorbeiflugs der Raumsonde MESSENGER gemessen wurde. Darüber hinaus gelang es, sog. Fossile Felder der Ionosphäre von Titan zu modellieren und zu analysieren, die von der Raumsonde CASSINI gemessen wurden.

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Müller, Joachim: A.I.K.E.F.: An Adaptive Hybrid Model with Application to Fossil Fields at Titan and Mercury’s Double Magnetopause. 2011.

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