Modellierung und Simulation von Weltraumplasmen
Der Weltraum um und zwischen Planeten, Sternen und Galaxien ist im Allgemeinen mit Plasma gefüllt, dessen charakteristische Temperatur und Dichte hoch bzw. klein genug sind, um Coulomb-Kollisionen zu vernachlässigen. Das Verhalten des Weltraumplasmas ist recht komplex und wird von vielen Faktoren wie elektromagnetischen Kräften, Wellen und Instabilitäten beeinflusst. Mathematische, analytische und numerische Modellierung und Simulationen sind unerlässlich, um diese Faktoren effektiv zu betrachten und das komplexe Verhalten des Plasmas über einen weiten Bereich von Parametern systematisch zu verstehen.
Auf der Grundlage verschiedener Modellierungs- und Simulationsmethoden arbeiten die Mitglieder der Gruppe Weltraumplasmaphysik aktiv an verschiedenen Forschungszielen im erdnahen Weltraum, in der Nähe anderer Planeten, Kometen und Asteroiden, nahe der Sonnenoberfläche, in der Sonnenkorona und im Sonnenwind. Insbesondere die jüngsten Fortschritte bei den Computerressourcen (Hochleistungscluster/Supercomputer) und -architekturen (Parallelverarbeitung in CPUs/GPUs) ermöglichen es uns, groß angelegte Simulationen verschiedener grundlegender Plasmaphänomene wie magnetische Rekonnektion, Plasmaturbulenz und kollisionsfreie Schockphysik durchzuführen, die ein breites Spektrum an räumlichen und zeitlichen Skalen abdecken und nicht nur anhand von Beobachtungen behandelt werden können. Die Simulationen beruhen auf verschiedenen Modellen: Vlasov, Partikel-in-Zelle (PIC), Hybrid und magnetohydrodynamische Modelle (MHD). Einige Simulationscodes sind öffentlich zugänglich (z. B. [1]) und werden kontinuierlich verbessert. Die Arbeit mit diesen Simulationen führt zu einer ständigen Entwicklung neuer mathematischer Methoden und Modelle, die auch anderen Forschungsbereichen außerhalb der Weltraumforschung zugutekommen. Der Vergleich zwischen diesen hochmodernen Modellen/Simulationen und Beobachtungen ermöglicht auch ein quantitatives Verständnis der vielschichtigen Physik von Weltraumplasmaphänomenen.
[1] https://sci.nao.ac.jp/MEMBER/zenitani/openmhd-e.html
