On ion escape from Venus

This doctoral thesis is about the solar wind influence on the atmosphere of the planet Venus. A numerical plasma simulation model was developed for the interaction between Venus and the solar wind to study the erosion of charged particles from the Venus upper atmosphere. The developed model is a hybrid simulation where ions are treated as particles and electrons are modelled as a fluid. The simulation was used to study the solar wind induced ion escape from Venus as observed by the European Space Agency's Venus Express and NASA's Pioneer Venus Orbiter spacecraft. Especially, observations made by the ASPERA-4 particle instrument onboard Venus Express were studied. The thesis consists of an introductory part and four peer-reviewed articles published in scientific journals. In the introduction Venus is presented as one of the terrestrial planets in the Solar System and the main findings of the work are discussed within the wider context of planetary physics. Venus is the closest neighbouring planet to the Earth and the most earthlike planet in its size and mass orbiting the Sun. Whereas the atmosphere of the Earth consists mainly of nitrogen and oxygen, Venus has a hot carbon dioxide atmosphere, which is dominated by the greenhouse effect. Venus has all of its water in the atmosphere, which is only a fraction of the Earth's total water supply. Since planets developed presumably in similar conditions in the young Solar System, why Venus and Earth became so different in many respects? One important feature of Venus is that the planet does not have an intrinsic magnetic field. This makes it possible for the solar wind, a continuous stream of charged particles from the Sun, to flow close to Venus and to pick up ions from the planet's upper atmosphere. The strong intrinsic magnetic field of the Earth dominates the terrestrial magnetosphere and deflects the solar wind flow far away from the atmosphere. The region around Venus where the planet's atmosphere interacts with the solar wind is called the plasma environment or the induced magnetosphere. Main findings of the work include new knowledge about the movement of escaping planetary ions in the Venusian induced magnetosphere. Further, the developed simulation model was used to study how the solar wind conditions affect the ion escape from Venus. Especially, the global three-dimensional structure of the Venusian particle and magnetic environment was studied. The results help to interpret spacecraft observations around the planet. Finally, several remaining questions were identified, which could potentially improve our knowledge of the Venus ion escape and guide the future development of planetary plasma simulations.

Tämä väitöskirja käsittelee aurinkotuulen vaikutusta planeetta Venuksen ilmakehään. Työssä tarkastellaan erityisesti varattujen hiukkasten eroosiota Venuksen yläilmakehästä, jonka mallintamista varten kehitettiin numeerinen simulaatio Venuksen ja aurinkotuulen väliselle vuorovaikutukselle. Malli on tyypiltään ns. hybridisimulaatio, jossa ioneja käsitellään hiukkasina ja elektroneja nesteenä. Simulaation avulla tutkittiin Euroopan avaruusjärjestön Venus Express -luotaimen ja NASA:n Pioneer Venus Orbiter -luotaimen havaintoja aurinkotuulen aiheuttamasta ionipaosta Venuksesta. Tutkimuksessa keskityttiin erityisesti Venus Expressin hiukkasmittalaite ASPERA-4:n havaintoihin, jonka suunnitteluun ja rakentamiseen Ilmatieteen laitos on osallistunut. Väitöskirja koostuu johdanto-osasta ja neljästä tieteellisestä tutkimusartikkelista. Johdannossa esitellään Venus yhtenä aurinkokunnan maankaltaisista planeetoista ja artikkelien tulokset esitetään osana laajempaa kokonaisuutta. Venus on lähin planeettanaapurimme ja se muistuttaa kooltaan ja massaltaan eniten maapalloa aurinkokunnassa. Siinä missä Maan ilmakehässä on alkuaineista eniten typpeä ja happea, Venuksen kuuma, kasvihuoneilmiön hallitsema ilmakehä koostuu pääosin hiilidioksidista. Venuksessa planeetan koko vesivaranto on ilmakehässä, joka on vain murto-osa maapallon kaikesta vedestä. Aurinkokunnan planeetat muodostuivat oletettavasti samanlaisissa olosuhteissa, joten herää kysymys miksi Venus ja Maa ovat nykyään monessa suhteessa niin erilaisia? Yksi Venuksen merkittävä ominaisuus on sen sisäinen magnetoitumattomuus. Tämän vuoksi Auringon sähköisesti varattujen hiukkasten virta eli aurinkotuuli pääsee lähelle Venusta ja poimii mukaansa hiukkasia planeetan ionisoituneesta yläilmakehästä. Maapallon voimakas sisäinen magneettikenttä puolestaan hallitsee planeettamme magneettikehää ohjaten aurinkotuulen Maan ohi jo kaukana ilmakehästä. Venuksen lähiavaruuden osaa, jossa aurinkotuuli ja planeetan ilmakehä ovat vuorovaikutuksessa, kutsutaan plasmaympäristöksi tai indusoituneeksi magneettikehäksi. Tutkimuksen keskeisenä tuloksena saatiin uutta tietoa indusoidun magneettikehän vaikutuksesta planetaaristen ionien liikkeeseen niiden paetessa Venuksen yläilmakehästä. Lisäksi mallintamalla tutkittiin miten aurinkotuulen olosuhteet vaikuttavat ionipakoon. Simulaation avulla pystyttiin erityisesti havainnollistamaan Venuksen hiukkasympäristön ja magneettisen ympäristön globaalia, kolmiulotteista rakennetta. Tulokset auttavat Venuksen kiertoradalta tehtyjen havaintojen tulkinnassa. Väitöstyössä löydettiin myös useita avoimia kysymyksiä, jotka ovat oleellisia Venuksen ionipaon ymmärtämiselle ja jotka antavat suuntaa simulaatioiden jatkokehitykseen.