Udforsk planetariske plasmamiljøer fra din bærbare computer

En ny database med plasmasimuleringer, kombineret med observationsdata og kraftfulde visualiseringsværktøjer, giver planetforskere en hidtil uset måde at udforske nogle af solsystemets mest interessante plasmamiljøer på.

Denne digitale rumudforskningshistorie starter med det integrerede medium for planetarisk udforskning (IMPEx), et samarbejdsprojekt for at skabe et fælles datahub for rummissioner.

Mens planetariske missioner er afgørende for at forstå, hvordan solvinden interagerer med magnetosfærerne på planeter og måner i vores solsystem, numeriske modeller er, på tur, afgørende for fuldt ud at forstå målingerne og forbedre vores viden om planetariske plasmamiljøer.

IMPEx-projektet samlede eksperter fra Østrig, Frankrig, Finland og Rusland for at finde et fælles sprog til at kombinere data fra forskellige simuleringsmodeller og for at sammenligne disse numeriske resultater med observationsdata indsamlet af rummissioner på tværs af solsystemet.

Det var i denne sammenhæng, at en gruppe ledet af Ronan Modolo ved Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales (LATMOS), i Frankrig, begyndte at udvikle en samling plasmasimuleringer på forskellige planetariske legemer. Latmos Hybrid Simulation (LatHyS)-databasen og dens anvendelser præsenteres i en ny undersøgelse offentliggjort tidligere på året i et særligt nummer af Planet- og rumvidenskab .

Modellering af himmelske miljøer

LatHyS-databasen indeholder en række simuleringsresultater af plasma - blandingen af ​​ladede partikler, der gennemtrænger det interplanetariske rum - på udvalgte planeter eller planetlegemer i vores solsystem. Simuleringerne er baseret på avancerede numeriske modeller, der tager højde for en række komplekse fysiske og kemiske processer i de øvre atmosfærer af himmellegemer, deres interaktion med solvinden og reaktion på solstråling.

"Indtil nu, himmelobjekter modelleret af LatHyS-simuleringer inkluderer Mars, Merkur og Jupiters måne, Ganymedes, "forklarer Modolo." Vi planlægger at udvide denne database til andre objekter som Saturns måne Titan og, på længere sigt, til andre Jupiters måner, som Europa eller Callisto, " tilføjer han.

Databasen giver det planetariske videnskabssamfund adgang til simulerede plasmadata, inklusive elektriske og magnetiske felter, massefylde, temperatur og plasmahastighed. LatHyS, sammen med en række dataanalyse- og visualiseringsværktøjer, giver forskere mulighed for nemt at kombinere data fra forskellige rumfartøjer med simuleringsresultater, at skabe 3-D-billeder, der viser, hvordan solvinden interagerer med planetarisk plasma, og meget mere.

"Med et par klik, brugeren kan få en realistisk tredimensionel scene af plasmamiljøet på planeten og af rumfartøjets bane, med in-situ målinger beriget med simuleringsresultater, " siger Dmitri Titov, ESA Mars Express-projektforsker og bruger af databasen, som ikke var involveret i undersøgelsen.

"Brugere kan også bruge dette værktøj til at skabe animationer og, på den videnskabelige side, at visualisere målingerne i den sammenhæng, hvor de er blevet udført, og hjælpe med at planlægge fremtidige observationer."

For at vise, hvor nyttige LatHyS og dets tilhørende 3D-visualiseringsværktøjer kan være til at hjælpe med at forstå planetariske plasmamiljøer, Modolo og hans team præsenterede en videnskabelig case i deres nye undersøgelse med fokus på Mars. De brugte observationsdata fra ESAs Mars Express, en mission, der har udforsket den røde planet siden 2003, undersøger sit plasmamiljø i enestående detaljer. De stolede også på data fra en anden Mars-kredsløber udstyret med et plasmainstrument:NASAs Mars Atmosphere and Volatile Evolution Mission (MAVEN), som ankom til Mars i 2014 og har studeret planetens plasmamiljø og dens interaktion med solvinden i tæt samarbejde med Mars Express lige siden.

Til det nye studie, forskerne kombinerede og sammenlignede data fra MAVEN og Mars Express med LatHyS -simuleringsresultaterne. By combining the simulations with observational data and the orbits of the two spacecraft using 3DView – a 3-D visualisation tool that was also developed in the framework of IMPEx – they could analyse in a new way how the solar wind interacts with the Mars upper atmosphere.

While the science case focused on the Red Planet and on the Mars Express and MAVEN missions, the database can be used to explore other bodies in the Solar System, comparing simulation results with observation data from other space missions.

"All planetary missions with plasma instruments – past, present and future – can be potentially used, but for the time being we focus on those dedicated to Mars, Mercury, and Ganymede, " says Modolo.

This includes ESA's Rosetta, which flew by Mars in 2007 on its way to Comet 67P/Churyumov-Gerasimenko, og, in the future, BepiColombo and JUICE, the JUpiter ICy moons Explorer. The Mercury Magnetospheric Orbiter and the Mercury Planetary Orbiter on the ESA-JAXA BepiColombo mission will explore different regions of Mercury's plasma environment, while ESA's JUICE has Ganymede, the largest moon of Jupiter, as one of its main targets.

Modolo looks to future missions since LatHyS, combined with visualisation tools, can help plan for them.

Seeing the solar system in 3-D

A strength of LatHyS is how well it works with 3DView, a powerful application for displaying science data in 3-D. In the current version of the viewer, users can visualise spacecraft trajectories, the positions of planets and other Solar System bodies, among other features. Vigtigere, because of the integration with IMPEx and LatHyS, 3DView can display scientific data from multiple space missions, as well as from simulations. A new paper led by Vincent Génot of the Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP) in Toulouse, Frankrig, published in the same issue of Planetary and Space Science , introduces the latest version of the tool and describes in detail how it can be used to display space physics data.

3DView, designed by the French Plasma Physics Data Center (CDPP), was initially developed in 2005 to visualise the trajectory of ESA's Rosetta spacecraft on its way to the comet. The viewer now comprises some 150 space missions, including Rosetta, Venus Express, and Cassini–Huygens, as well as all planets and moons in the Solar System and a number of asteroids and comets.

"3DView offers the possibility to visualise spacecraft ephemerides – of past, present and future missions – and, when available, observations at all celestial objects in the Solar System explored by space missions equipped with plasma instruments, " says Génot.

One of the main applications of the tool, also in combination with LatHyS, is in helping scientists and engineers during the preparation stages for space missions, allowing them to visualise spacecraft trajectories and the environment at celestial bodies. I 2014 a version of 3DView helped scientists in the selection process of a landing site at Rosetta's comet for the Philae probe.

A science case presented in this study features ESA's future mission, JUICE, which is planned for launch in 2022. The researchers combined observations of Ganymede done by NASA's Galileo mission a couple of decades ago with LatHyS simulations of the plasma environment at this Jupiter moon. JUICE scientists have used 3DView in a similar way, to analyse simulations at Ganymede and gather information, such as times for closest approaches or magnetopause crossings, about future fly-bys of the moon by JUICE.

"The 3DView tool is useful to visualise the trajectory of JUICE in the Jupiter system and also to visualise the 'invisible' magnetospheric boundaries, " says ESA's JUICE Project Scientist Olivier Witasse.

While its main target audience is the scientific community, 3DView is also attracting attention as an educational tool. The code is open source and the software is often used in higher-education courses to help students have a better grasp of space physics.

From providing new ways to explore our Solar System to planning future missions and inspiring the next generation of space researchers, LatHyS and 3DView show how much scientists and engineers can gain from combining observations and simulations.