Novinky

Pracovník AsÚ oceněn za třetí nejlepší vědecký poster

Na 32. ročníku International Conference on Phenomena in Ionized Gases (ICPIG), renomované konferenci v oboru fyzika plazmatu konající se letos 26. – 31. července v rumunském Iași, získal 3. místo v soutěži posterů pracovník Astronomického ústavu Ing. Miroslav Horký. Toto zasloužené ocenění získal v konkurenci 247 registrovaných účastníků. Práce popisovala jevy v magnetizovaném plazmatu.

Čím se přesně zabývá oceněný poster, nám popisuje sám autor, Ing. Miroslav Horký, a jeho školitel, prof. Petr Kulhánek:

Plazma je čtvrté skupenství hmoty, v němž se nacházejí volné nosiče nábojů. Zpravidla jde o ionizované plyny za vysoké teploty. Elektrony a ionty reagují na elektromagnetická pole a samy je vytvářejí. Z atomární látky je ve vesmíru naprostá většina ve stavu plazmatu. Typickým příkladem jsou hvězdy, mlhoviny, nebo akreční disky kolem kompaktních útvarů.

Při studiu plazmatu lze postupovat trojím způsobem. Nejsnazší je provádět experimenty, to je ale možné u laboratorního plazmatu, ve vesmíru máme o probíhajících dějích jen na dálku zprostředkované informace. Možný je i teoretický výzkum, tj. úvahy opírající se o dosavadní znalosti některých zákonů popisujících děje v plazmatu. Množství dějů v plazmatu je ale velmi rozmanité, dochází zde k řadě nestabilit, rozvoji nejrůznějších typů vln a turbulencí, k přepojování magnetických siločar atd. A zde přicházejí na scénu numerické simulace, kde lze podmínky simulovaného experimentu natolik zjednodušit, že zjistíme chování plazmatu jen při námi zvolených jevech.

Pro simulace se dnes velmi často používá metoda PIC (Particles in Cells), ve které se částice volně pohybují simulačním prostorem, ale pole se počítají jen v některých vybraných vrcholech na předem dané mříži. Touto metodou jsme zkoumali rozvoj nestabilit v ionosférickém plazmatu, ale metoda je vhodná i pro jiné druhy plazmatu. Nestabilitu můžeme představit jako experiment, při němž do vody hodíme kámen a vzniklé vlny se začnou zvětšovat, namísto toho, aby se tlumily. Zatímco v přírodě se nestability běžně vyskytují za určitých specifických podmínek, během simulací mohou nastat i v důsledku numerických chyb. Taková situace je nežádoucí a je potřeba jí zabránit, proto byla numerická stabilita PIC kódů v minulosti intenzivně studována a podmínky použitelnosti simulace jsou dobře známy.

V našem případě se ale při výpočtech objevila zcela nová, dosud neznámá nestabilita. Po bližším ohledání jsme zjistili, že nejde o skutečný přírodní děj, ale o nový typ numerické nestability, kterou bude třeba při podobných simulacích brát v úvahu. Přestože byly splněny veškeré známé podmínky výpočtu, docházelo k exponenciálnímu nárůstu poruch elektrického pole, exponenciálnímu nárůstu rychlosti elektronů a plazma se samoorganizovalo do vláken podél magnetického pole. Došli jsme k závěru, že numerickou nestabilitu lze přičíst na vrub nedostatečnému rozlišení trajektorie elektronů (tvoří je charakteristické šroubovice) na prostorové mříži – stručně řečeno, poloměr otoček je menší, než činí vzdálenost dvou sousedních vrcholů v simulované oblasti. V současnosti probíhají ověřovací simulace a teoretické výpočty, které poslouží k potvrzení předchozích úvah.

Náš výzkum je užitečný pro všechna pracoviště, která se zabývají numerickými simulacemi plazmatu, neboť v simulacích plazmatu, kde je nejmenším charakteristickým rozměrem právě poloměr otoček elektronů (např. plazma v silném magnetickém poli), je velmi snadné dostat se do numericky nestabilní oblasti, a tím získat nepoužitelné výsledky. Naše práce tak pomůže eliminovat chyby měření ve výzkumu plazmatu a pochopit lépe děje v tomto pozoruhodném skupenství.

Informace o posteru

Jméno: Ing. Miroslav Horký
Spoluautor příspěvku: Dr. Wojciech J. Miloch
Školitel: prof. Petr Kulhánek
Školitel specialista: prof. Vladimír Karas
Název příspěvku:  Numerical Instability in PIC Simulations of Weakly Collisional Magnetized Plasmas

Kontakty

Ing. Miroslav Horký
Pracovník Astronomického ústavu AV ČR
miroslav.horky@asu.cas.cz

prof. RNDr. Petr Kulhánek, CSc.
České vysoké učení technické v Praze, Fyzika plazmatu
kulhanek@aldebaran.cz

Pavel Suchan
Tiskový tajemník Astronomického ústavu AV ČR
suchan@astro.cz
GSM: +420 737 322 815

Poster v PDF a Originální vědecká publikace v PDF (obojí v angličtině)