Hybrid Modelling of Titan's Interaction with the Magnetosphere of Saturn

In this dissertation we study the interaction between Saturn's moon Titan and the magnetospheric plasma and magnetic field. The method of research is a three-dimensional computer simulation model, that is used to simulate this interaction. The simulation model used is a hybrid model. Hybrid models enable individual tracking or tracing of ions and also take into account the particle motion in the propagation of the electromagnetic fields. The hybrid model has been developed at the Finnish Meteorological Institute. This thesis gives a general description of the effects that the solar wind has on Earth and other planets of our solar system. Planetary satellites can also have similar interactions with the solar wind but also with the plasma flows of planetary magnetospheres. Titan is clearly the largest among the satellites of Saturn and also the only known satellite with a dense atmosphere. It is the atmosphere that makes Titan's plasma interaction with the magnetosphere of Saturn so unique. Nevertheless, comparisons with the plasma interactions of other solar system bodies are valuable. Detecting charged plasma particles requires in situ measurements obtainable through scientific spacecraft. The Cassini mission has been one of the most remarkable international efforts in space science. Since 2004 the measurements and images obtained from instruments onboard the Cassini spacecraft have increased the scientific knowledge of Saturn as well as its satellites and magnetosphere in a way no one was probably able to predict. The current level of science on Titan is practically unthinkable without the Cassini mission. Many of the observations by Cassini instrument teams have influenced this research both the direct measurements of Titan as well as observations of its plasma environment. The theoretical principles of the hybrid modelling approach are presented in connection to the broader context of plasma simulations. The developed hybrid model is described in detail: e.g. the way the equations of the hybrid model are solved is shown explicitly. Several simulation techniques, such as the grid structure and various boundary conditions, are discussed in detail as well. The testing and monitoring of simulation runs is presented as an essential routine when running sophisticated and complex models. Several significant improvements of the model, that are in preparation, are also discussed. A main part of this dissertation are four scientific articles based on the results of the Titan model. The Titan model developed during the course of the Ph.D. research has been shown to be an important tool to understand Titan's plasma interaction. One reason for this is that the structures of the magnetic field around Titan are very much three-dimensional. The simulation results give a general picture of the magnetic fields in the vicinity of Titan. The magnetic fine structure of Titan's wake as seen in the simulations seems connected to Alfvén waves an important wave mode in space plasmas. The particle escape from Titan is also a major part of these studies. Our simulations show a bending or turning of Titan's ionotail that we have shown to be a direct result of the basic principles in plasma physics. Furthermore, the ion flux from the magnetosphere of Saturn into Titan's upper atmosphere has been studied. The modelled ion flux has asymmetries that would likely have a large impact in the heating in different parts of Titan's upper atmosphere.

Tässä väitöskirjassa tutkitaan Saturnuksen Titan-kuun vuorovaikutusta ympäröivän hiukkasvirran ja magneettikentän kanssa. Menetelmänä käytetään kolmiulotteista tietokonemallia, jolla toisinnetaan eli simuloidaan Titanin vuorovaikutusta Saturnuksen magnetosfäärin sähköisesti varattujen hiukkasten sekä magneettikentän kanssa. Käytetty simulaatiomalli on hybridimalli, jolla yksittäisten varattujen hiukkasten (ionien) liikettä voidaan mallintaa tarkasti ja myös näiden hiukkasten vaikutus sähkö- ja magneettikenttiin otetaan huomioon. Malli on kehitetty Ilmatieteen laitoksella ja mallin ajamisessa hyödynnetään laitoksen supertietokoneita. Väitöskirja antaa yleiskuvan vaikutuksista, joita aurinkotuulella eli Auringosta virtaavilla varatuilla hiukkasilla on Maalle ja muille Aurinkokunnan planeetoille. Vastaavia vuorovaikutuksia esiintyy myös planeettojen kuilla. Titan on Aurinkokuntamme suurimpia kuita ja ainoa, jolla on merkittävä kaasukehä. Juuri kaasukehänsä vuoksi Titanin vuorovaikutus Saturnuksen magnetosfäärin kanssa on erityinen. Tästä huolimatta on hyödyllistä vertailla Titanin tapausta muiden kappaleiden vuorovaikutuksiin. Sähköisesti varattujen hiukkasten eli plasman tarkka mittaaminen ei ole mahdollista muuten kuin lähettämällä avaruusluotaimia suorittamaan tarvittavia mittauksia. Cassini-luotain on viime vuosien suurimpia kansainvälisiä avaruustutkimushankkeita. Vuodesta 2004 Cassinin suorittamat mittaukset ja sen ottamat valokuvat Saturnusta kiertävältä radaltaan ovat huikeasti lisänneet Saturnuksen ja sen kuiden tuntemusta. Titaninkaan tutkimus nykyisessä laajuudessa ei olisi mahdollista ilman Cassinin mittaustuloksia. Cassinin uusia mittauksia Titanista on hyödynnetty myös tässä tutkimuksessa. Väitöstutkimuksessa käytetyn hybridimallin teoreettiset perusteet esitetään laajemmassa yhteydessä plasmamallinnukseen. Lisäksi kehitetty malli kuvaillaan tarkasti. Mallin yhtälöiden laskeminen esitetään yksityiskohtaisesti samoin kuin monet käytetyt numeeriset menetelmät kuten simulaatiohilan rakenne ja reunaehdot. Simulaatioiden monitorointi esitetään tärkeänä osana monimutkaisten mallien käyttöä. Mallin jatkuva kehitystyö on yksi edellytys kansainvälisen tutkimuksen huipulla pysymiselle. Tulevan kehitystyön suuntaviivoja siten myös tarkastellaan. Titan-mallin tuloksista julkaistut neljä kansainvälistä tiedeartikkelia muodostavat pääosan väitöskirjasta. Niissä esitetyt simulaatiotulokset esittävät yleiskuvan Titanin ympäristön magneettikentästä. Simulaatioissa havaitut magneettikentän rakenteet Titanin pyrstössä ovat yhdistettävissä vuorovaikutuksessa esiintyviin plasma-aaltoihin. Hiukkaspako Titanista on myös tärkeimpiä tämän tutkimuksen osa-alueista. Simulaatiotuloksissa nähtävän Titanin ionipyrstön kääntymisen osoitettiin olevan seurausta plasmafysikaalisista periaatteista. Edellisten lisäksi tutkittiin ionien hiukkasvuota Saturnuksen magnetosfääristä Titanin yläilmakehään. Mallinnetun ionivuon epäsymmetrioilla voi ennustaa olevan suuri vaikutus Titanin yläilmakehän lämpötilajakaumaan. Väitöskirjatyössä kehitetty Titan-malli on osoittautunut tärkeäksi Titanin plasmavuorovaikutuksen ymmärtämiselle mm. siitä syystä, että magneettikentän rakenteet Titanin ympäristössä ovat kolmiulotteisia.