Simulations of solar wind magnetosheath magnetopause interactions

This thesis investigates interactions between solar wind and the magnetosphere of the Earth using two global magnetospheric simulation models, GUMICS-4 and Vlasiator, which are both developed in Finland. The main topic of the thesis is magnetic reconnection at the dayside magnetopause, its drivers and global effects. Magnetosheath mirror mode waves and their evolution, identification and impacts on the local reconnection rates at the magnetopause are also discussed. This thesis consists of four peer-reviewed papers and an introductory part. GUMICS-4 is a magnetohydrodynamic model solving plasma as a single magnetized fluid. Vlasiator is the world s first global magnetospheric hybrid-Vlasov simulation model, which solves the motion of ions by describing them as velocity distribution functions, whereas electrons are described as a charge neutralizing fluid. Vlasiator is able to solve ion scale physics in a global scale simulation. However, it is computationally heavy and the global simulations are currently describing Earth s magnetosphere only in two spatial dimensions, whereas the velocity space is three dimensional. This thesis shows that magnetic reconnection at the dayside magnetopause is controlled by several factors. The impact of dipole tilt angle and sunward component of the interplanetary magnetic field on magnetopause reconnection is investigated with a set of GUMICS-4 simulations. Using Vlasiator simulations, this thesis shows that local reconnection rate is highly variable even during steady solar wind and correlates well with an analytical model for 2D asymmetric reconnection. It is also shown that the local reconnection rate is affected by local variations in the magnetosheath plasma. Fluctuations in the magnetosheath parameters near X-lines are partly generated by mirror mode waves that are observed to grow in the quasi-perpendicular magnetosheath. These results show that that the local reconnection rate at the X-lines is affected not only by the fluct

Aurinkotuuli koostuu plasmasta eli suuresta määrästä sähköisesti varattuja hiukkasia, joita Aurinko jatkuvasti syöksee ympärilleen. Nämä varatut hiukkaset kantavat Auringon magneettikenttää mukanaan planeettojen väliseen avaruuteen. Aurinkotuulen sähkömagneettiset kentät vuorovaikuttavat Maan magneettikentän kanssa muodostaen Maan magnetosfäärin. Vaihtelut aurinkotuulen koostumuksessa, nopeudessa ja magneettikentän suunnassa ja voimakkuudessa aiheuttavat häiriöitä Maan magneetttikentässä. Näitä häiriöitä kutsutaan avaruussääksi. Jotta avaruussään rajuihin muutoksiin voidaan varautua, täytyy aurinkotuulen ja Maan magnetosfäärin vuorovaikutus tuntea. Tärkein vuorovaikutusmekanismi on magneettinen rekonnektio eli magneettisten kenttäviivojen uudelleenkytkeytyminen, jota tapahtuu magnetopausilla eli pinnalla, joka erottaa Maan magnetosfäärin aurinkotuulesta. Rekonnektio avaa Maan kenttäviivoja ja päästää energiaa ja plasmaa virtaamaan sisään ja ulos Maan magnetosfääristä. Tämä väitöskirja koostuu neljästä vertaisarvioidusta julkaisusta ja johdannosta, joissa tutkitaan aurinkotuulen ja Maan magnetosfäärin vuorovaikutusta käyttäen kahta laskennallista mallia. Toinen malli, GUMICS-4, perustuu magnetohydrodynamiikkaan eli plasman kuvailuun yhtenä magneettisena nesteenä. Toinen malli, Vlasiator, on maailman ainoa koko Maan magnetosfääriä kuvaava malli, jossa käytetään hybridi-Vlasov -menetelmää. Vlasiator mallintaa protonien käyttätymisen ratkaisemalla niiden nopeusjakaumien kehityksen, mutta elektronit se mallintaa nesteenä. Tämä metodi mahdollistaa ioniskaalan fysiikan mallintamisen, mutta on laskennallisesti huomattavasti raskaampi kuin plasman kuvaaminen yhtenä nesteenä, mistä johtuen Vlasiator-simulaatiot kuvaavat tällä hetkellä Maan magnetosfääriä ainoastaan kahdessa tilaulottuvuudessa. Ensimmäisessä julkaisussa tutkitaan magneettikentän aaltoja, joita kutsutaan peilimoodiksi, alueessa, joka on Maan magnetopausin ja sen keulashokin väliin jäävä pyörteinen välivyöhyke (