Vlasiator : From local to global magnetospheric hybrid-Vlasov simulations

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

Laskennallisten avaruussäämallien kehittäminen, validointi ja käyttö

Currently the majority of space-based assets are located inside the Earth's magnetosphere where they must endure the effects of the near-Earth space environment, i.e. space weather, which is driven by the supersonic flow of plasma from the Sun. Space weather refers to the day-to-day changes in the temperature, magnetic field and other parameters of the near-Earth space, similarly to ordinary weather which refers to changes in the atmosphere above ground level. Space weather can also cause adverse effects on the ground, for example, by inducing large direct currents in power transmission systems. The performance of computers has been growing exponentially for many decades and as a result the importance of numerical modeling in science has also increased rapidly. Numerical modeling is especially important in space plasma physics because there are no in-situ observations of space plasmas outside of the heliosphere and it is not feasible to study all aspects of space plasmas in a terrestrial laboratory. With the increasing number of computational cores in supercomputers, the parallel performance of numerical models on distributed memory hardware is also becoming crucial. This thesis consists of an introduction, four peer reviewed articles and describes the process of developing numerical space environment/weather models and the use of such models to study the near-Earth space. A complete model development chain is presented starting from initial planning and design to distributed memory parallelization and optimization, and finally testing, verification and validation of numerical models. A grid library that provides good parallel scalability on distributed memory hardware and several novel features, the distributed cartesian cell-refinable grid (DCCRG), is designed and developed. DCCRG is presently used in two numerical space weather models being developed at the Finnish Meteorological Institute. The first global magnetospheric test particle simulation based on the Vlasov description of plasma is carried out using the Vlasiator model. The test shows that the Vlasov equation for plasma in six-dimensionsional phase space is solved correctly by Vlasiator, that results are obtained beyond those of the magnetohydrodynamic (MHD) description of plasma and that global magnetospheric simulations using a hybrid-Vlasov model are feasible on current hardware. For the first time four global magnetospheric models using the MHD description of plasma (BATS-R-US, GUMICS, OpenGGCM, LFM) are run with identical solar wind input and the results compared to observations in the ionosphere and outer magnetosphere. Based on the results of the global magnetospheric MHD model GUMICS a hypothesis is formulated for a new mechanism of plasmoid formation in the Earth's magnetotail.Avaruuteen lähetetyistä laitteista suurin osa sijaitsee Maan magnetosfäärissä, missä ne altistuvat avaruussäälle. Avaruussäällä tarkoitetaan Maan lähiavaruuden läpötilan, magneettikentän ja muiden ominaisuuksien päivittäistä vaihtelua auringosta jatkuvasti virtaavan plasman - aurinkotuulen - vuoksi. Avaruussäällä voi olla haitallisia vaikutuksia myön Maan pinnalla, esimerkkinä sähkönsiirtoverkkoihin indusoituvat suuret tasavirrat. Tietokoneiden laskentateho on kasvanut eksponentiaalisesti jo vuosikymmenien ajan, minkä seurauksena myös laskennallisen mallinnuksen merkitys tieteelle on kasvanut huomattavasti. Laskennallinen mallintaminen on erityisen tärkeää avaruusplasmafysiikassa, sillä aurinkokunnan ulkopuolelta ei ole suoria mittauksia, eikä kaikkia avaruusplasman ominaisuuksia voida tutkia maanpäällisissä laboratorioissa. Supertietokoneiden laskentaytimien määrän kasvaessa myös laskennallisten mallien rinnakkaisesta suorituskyvystä on tullut ratkaisevan tärkeää. Väitöskirja koostuu johdannosta ja neljästä vertaisarvioidusta julkaisusta joissa kuvataan laskennallisten avaruussäämallien kehittämistä ja käyttöä Maan lähiavaruuden tutkimiseen. Avaruussäämallien kaikki kehittämisaskeleet käydään läpi alkaen alustavasta suunnittelusta ja toteutuksesta, jaetun muistin rinnakkaistuksesta ja laskentanopeuden optimoinnista aina testaukseen ja validointiin asti. Väitöskirjan yhteydessä on suunniteltu ja toteutettu rinnakkainen hila jota käytetään tällä hetkellä kahdessa Ilmatieteen laitoksella kehitettävässä avaruussäämallissa. Näistä toisen, Vlasovin yhtälöllä plasmaa mallintavan Vlasiatorin, täyden kuusiulotteisen faasiavaruuden (kolme paikka- ja kolme nopeusulottuvuutta) käsittävällä magnetosfääritestillä on osoitettu mallin toimivuus ja soveltuvuus Maapallon koko magnetosfäärin mallintamiseen nykyisillä supertietokoneilla. Ensimmäistä kertaa on myös vertailtu neljän eri avaruussäämallin (BATS-R-US, GUMICS, OpenGGCM, LFM) tuottamia ennusteita Maan lähiavaruudesta käyttäen samaa aurinkotuulisyötettä