Software - GISMO

MHD-Testteilchen

Im Interstellaren Medium und der Heliosphäre befinden sich magnetisierte Plasmen, die über einen großen Wellenzahlbereich turbulent sind. Der Transport energetischer Teilchen geschieht durch stoßfreie Wechselwirkung mit dieser Turbulenz.

In weiten Teilen wird angenommen, dass die Turbulenz durch inkompressible Magnetohydrodynamik beschrieben wird. Welches Turbulenzmodell in dieser Beschreibung gilt, wird immer noch diskutiert. Von Kolmogorov über Kraichnan-Iroshnikov bis zu Goldreich-Sridhar gibt es hier viele Möglichkeiten.

Eine Untersuchung der Turbulenz ist letztlich nur mit numerischen Methoden möglich. Hier wurde der GISMO-Code von uns entwickelt, der eine pseudo-spektrale Lösung der inkompressiblen MHD-Gleichung liefert und diese mit der Bewegung geladener Testteilchen kombiniert.

GISMO löst dabei die MHD-Gleichungen in der Elsässer-Notation. Dabei wird die Fourier-Transformation mit der p3dfft-Bibliothek durchgeführt. Damit ist eine MPI-Parallelisierung möglich, die auch auf vielen 1000 Kernen noch effizient funktioniert. Output für Felder und Teilchen wird über HDF5 gelöst. Der Ablauf eines Zeitschritts ist im Bild unten dargestellt.

Schematischer Ablauf des GISMO-Codes: Erkennbar sind die Bereiche für die MHD-Entwicklung (links) und Teilchen-Entwicklung (rechts). In blau gehalten sind Größen im Fourier-Raum, orange sind Größen im Realraum. Die Realraumfelder werden an einer Stelle an den Teilchencode übergeben. Da es sich um Testteilchen handelt, gibt es keine Rückwirkung.

Der Code und seine Anwendungen sind in Evolution of plasma turbulence excited with particle beams (Lange and Spanier 2012, Astronomy and Astrophysics) und Particle scattering in turbulent plasmas with amplified wave modes (Lange, Spanier, Battarbee, Vainio and Laitinen 2013, Astronomy and Astrophysics) beschrieben. Wissenschaftliche Ergebnisse sind unter Forschung/Transport beschrieben.

Der Code ist nicht frei verfügbar. Kollaborationen sind aber auf Anfrage möglich.