Miten lähiavaruutta mallinnetaan?

Kestävän avaruustieteen ja -tekniikan huippuyksikössä mallinnetaan Maan lähiavaruuden plasmaprosesseja Anatoli Vlasovin 1938 julkaisemaan teoriaan perustuvalla kuusiulotteisella simulaatiolla. Helsingin yliopiston fysiikan laitoksella kehitetty Vlasiatoriksi nimetty simulaatio tuottaa maailman tarkimmat mallinnukset aurinkotuulen käyttäytymisestä lähiavaruudessa.

– Norminesteessä, kuten ilmasta otetussa kuutiomaisessa näytteessä, hiukkaset liikkuvat suurin piirtein samaan suuntaan ja tuota liikettä voi kuvata gaussisella jakaumalla, jonka leveys on tämä meidän arkipäiväinen lämpötilamme. Jos me otamme avaruusplasmasta vastaavan näytteen, siinä olevat hiukkaset eivät seuraakaan gaussista jakaumaa, vaan voivat liikkua vapaasti eri suuntiin, Alho selittää. 

– Siellä voi esimerkiksi olla kaksi tällaista gaussista jakaumaa, joilla on eri keskinopeudet ja eri lämpötilat. Tai sitten siellä voi olla ihan mitä tahansa siltä väliltä. Ja Vlasovin yhtälö kuvaa sitä täysin mielivaltaista tilannetta, jossa voi olla ihan mielivaltainen jakauma näitä hiukkasia, jotka menevät mihin tahansa suuntiin.

Pitkäjänteisen työn tulos

Professori Minna Palmroth aloitti mallin kehittämisen noin 15 vuotta sitten. Tällä hetkellä sillä voi mallintaa kerralla yhdessä simulaatiossa maapallon koko magnetosfäärin avaruudellisesti kolmiulotteisena kokonaisuutena. Yhteensä mallissa lasketaan kuusi eri ulottuvuutta. 

– Minnan alkuperäinen idea oli ottaa mallissa huomioon hiukkasten kineettinen mallintaminen eli juuri tämä kuusiulotteisuus, ja käyttää siinä sellaista laskentaa, johon modernit tietokoneet kymmenen vuoden päästä pystyisivät. Ennakointi onnistui ja malli päästiin ottamaan käyttöön, kun tietokoneiden laskentateho oli kehittynyt tarpeeksi. Sitä odotellessa mallia ajettiin kaksiulotteisena, Alho kertoo.

Alun perin hankkeessa työskenteli Palmrothin lisäksi muutama tutkija. Huippuyksiköksi nimittämisen jälkeen väkimäärä kasvoi ja viime vuosina tiimin koko on ollut 15–20 henkeä. Alho on työskennellyt hankkeessa vuodesta 2020. 

– Tämä suurteholaskentaan tukeutuva hanke on Suomen mittakaavassa suuri ja myös maailman mittakaavassa kohtuullisen kokoinen. Helsingin yliopistossa on kaksi muuta meidän kokoistamme työryhmää. Eikä kukaan muu maailmassa tee Vlasovin mallinnusta koko magnetosfäärin mittakaavassa.

Uusia löytöjä

– Mallin avulla tuotettiin noin kymmenen vuotta sitten ensimmäiset artikkelit, joilla demonstroitiin sen toimivuutta. Aika pian sen jälkeen alettiin kaksiulotteiset ajot eli otettiin magnetosfääristä yksi poikkileikkaus vaikka ekvaattorin tasossa. Kokonaisuudessaan nämä ajot olivat jo viisiulotteisia, eli oltiin vähän karsittu siitä kuuden ulottuvuuden tavoitteesta, Alho kertoo. 

– Näinkin saatiin jo hyviä tutkimustuloksia siitä, miten magnetosfäärin edessä oleva aaltoileva alue – englanniksi foreshock – toimii, tai miten energia siirtyy magnetosfääriin ja sitten lopulta meille tänne ionosfääriin ja tuottaa revontulia ja kaikkia näitä avaruusilmiöitä. Nämä julkaistiin erittäin arvostetussa Nature Physics -lehdessä 2023.

6D-ajojen käynnistyttyä tutkijat tarttuivat maapallon magnetosfääripyrstön magneettisen rekonnektion ilmiöön, josta julkaistiin 2023 iso artikkeli Nature Geoscience Journalissa. 

– Asiasta oli ollut kaksi erimielistä tieteellistä koulukuntaa, ja pystyimme kineettisellä mallillamme näyttämään, että molemmat olivat tavallaan oikeassa ja myös tavallaan väärässä. Osoitimme, että niitä on mahdollista katsoa osana yhtä isompaa prosessia.

Alhon mielestä tämä oli todella hyvä esimerkki siitä, mitä mallinnuksella haetaan magnetosfääritutkimuksessa ja myös muuallakin. 

– Jos meillä on joukko satelliitteja tutkimassa magnetosfääriä, jokainen tuottaa mittauksia aina yhdestä pisteestä kerrallaan. Muutama mittauspiste ei kauheasti auta, kun alue, joka meidän pitäisi ymmärtää, on miljoonia kilometrejä suuntaansa. Simulaation avulla saamme resoluutiomme puitteissa virtuaalisen satelliitin vaikka tuhannen kilometrin välein ja pystymme tarkastelemaan koko globaalia ympäristöä.

Satelliittihavaintoja voidaan verrata malliin ja katsoa, vastaako malli niitä. Tutkijat eivät kuitenkaan voi ainakaan vielä käyttää satelliittimittauksia ohjaamassa mallia. 

– Laitamme simulaatioissa aurinkotuulen päälle niin, että se törmää magnetosfääriin. Ja sen jälkeen laskemme simulaatiota askel askeleelta ajassa eteenpäin. Tällä hetkellä voimme laskea noin puolen tunnin mittaisia tapahtumia, mikä ei ole magnetosfäärin mittakaavalla vielä ihan sitä mitä haluaisimme. Pääsy tekemään pidempiä ajoja on laskentaresursseista ja algoritmiikasta kiinni.

Malli ja millä se lasketaan

Tutkijat eivät vain tyydy odottamaan tietokoneiden laskentatehon kehittymistä, sillä työtä algoritmiikan parantamiseksi tehdään koko ajan.

– Vaikka laskentatehon kasvattamisessa on haasteita, algoritmiikkaa kehittämällä saamme vielä lisättyä laskentatehoa. Näytönohjainlaskennalla saadaan myös enemmän laskentatehoa per kilowatti irti ja se on tällä hetkellä taloudellisin vaihtoehto.

Isojen ongelmien laskeminen vaatii massiivisen supertietokoneen, minkä takia laskenta on viime aikoina tehty Kajaanissa Mahti ja Lumi -koneilla. Laskentaa on tehty myös muualla Euroopassa. Vlasiator-tiimi käyttää jopa sata miljoonaa CPU-tuntia vuodessa, ja laskennan arvo on miljoonia euroja. 

– Tällaista isoa numeerista mallia voi verrata satelliittimissioon. Vaikka katsantokanta on vähän erilainen kuin kokeellisissa mittauksissa, ne kuitenkin kytkeytyvät aika hyvin toisiinsa. Mittausten avulla tiedetään, millaisia tuloksia mallista pitäisi saada. Ja oikein toimivaksi varmistetulla mallilla pystytään ohjaamaan havaitsijoita etsimään oikeasta suunnasta mallista löytyneitä ilmiöitä. Prosessi on iteratiivinen.

Periaatteessa on mahdollista laskea tilannetta tarkasti kuvaavia analyyttisiä ratkaisuja. Niissä on kuitenkin se rajoitus, miten komplekseja ympäristöjä on mahdollista kuvata analyyttisesti, ja se raja tulee vastaan aika nopeasti, Alho muistuttaa.

– Lähiavaruus on äärimmäisen kompleksi mallinnettava: meillä on muutama miljoona spatiaalisolua, joissa jokaisessa on keskimäärin 10 000 datapistettä. Eli datapisteitä on helposti 10 potenssiin 11–12, joita lasketaan kymmeniä tuhansia aika-askelia. Kyllä siinä liikkuu dataa.