Sun­to­IonosphereModeling at the Community­Coordinated Modeling Center

NASA Goddard Space Flight Center

Lutz Rastaetter

http://ccmc.gsfc.nasa.gov

11/1/06

      

Outline

• The Community­Coordinated Modeling Center (CCMC)

• Models at CCMC– Real time simulations– Runs on Request

• Examples of Research at CCMC– Polar cap size and location– Flux­transfer events

• Summary

      

The Community­Coordinated Modeling Center

CCMC goal: Facilitate community use of space science modelsModeling context is critical for data analysis in space physics• Models at the CCMC can produce vastly more science results.•Models can be validated and be prepared for a wider range of uses   (“space weather forecasting”)

CCMC is a multi­agency partnership including NASA (National Aeronautic and Space Administration), NSF (National Science Foundation),

NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration),CCMC was started in 1999 by Michael Hesse,  now has 12 staff members and offers

more than 20 models and products.

      

Models at CCMC

SWMF / SC,IH,GM,IM,IE,UA

Fok RCFok RB

MAS

PFSS

Helio. Tomog.

ENLIL

Exosph. SWBATSRUSOpenGGCM

   SAMI2  CTIPWeimerIE solversWSA

USU­GAIM

      

Runs­On­Request• User­defined runs

• Interactive visualization

• Comparisons between Models and  Observations

• Export of model outputs for users' own analyses

      

Runs on Request

Executed runs  (Aug. 2006): Oct. 24, 2006Solar & Heliosphere :  128 223Global magnetosphere:  607 629Inner magnetosphere:   97 100Ionosphere:  166 172Total:  998 1124 runs

0

200

400

600

800

1000

2001 2002 2003 2004 2005 2006

Global Magnetosphere Inner Magnetosphere

Ionosphere/Thermosphere Solar and Heliosphere

On the Web:

http:/ccmc.gsfc.nasa.gov/

Request A Model Run

View Model Run Results

      

Runs on Request

• Real­Event simulations (Bastille Day, Halloween Storms,…)

• Modeled Events (arbitrary date, user­defined input data)

• Web­based visualization (examples follow in this presentation)– 1D satellite tracks

– 2D ionosphere Electro­Dynamics 

– 3D model data in various coordinate systems in the solar corona, heliosphere, Earth's magnetosphere and ionosphere/thermosphere.

• Model output data export– as text files

– CDF format with interpolation library for C/C++ and Fortan codes.

      

R<5: Model Magnetic fieldR<30: MHD solution

Models : Solar Corona

    magnetogram­driven, steady­state solutions

      

magnetogram data + analyses

Real time run:solar wind at EarthHeliosphere Model

MHD solar wind model,with positions of inner planets

Models: Heliosphere

coronal models

      

Meridional tail section

Models: Earth's Magnetosphere

Solar­wind driven (ACE, WIND)two global MHD models1D track, 2D plots and 3D field lines

Virtual satellite: cluster1

Slice and3D field lines

      

Models: Magnetosphere (real time)

Solar wind inputs

 Magnetosphere

 Ionospheric Electro.­Dyn.

      

Models: Magnetosphere (real time)

BATSRUS (since 2002), • 0.5 RE resolution,  301536 cells

SWMF (2006):  • 0.25 RE resolution, 755136 cells

• inner­magnetosphere physics with Rice­Convection Model: => better Region­2 currents

17:40, Mon. Oct. 23, 2006

Runs­on Request grids:

Typically 2­3 million cells, 

up to 12 million possible.

      

Synoptic maps:GAIM NmF2 (max. Ne in F2­layer)

Models: IonosphereIonosphere­Thermosphere• Stand­alone, driven by solar wind,

solar radiation: CTIP, SAMI2• Data­assimilative:

USU­GAIM/IFM

Vertical slice:CTIP Tn at constant longitude

      

Real­time run, every 5 minutes Weimer '05 Potential (PHI), Currents (FAC)

Models: Ionosphere (real time)

Ionospheric­Electrodynamics (IE)– Stand­alone model, driven by solar wind:

Weimer (2K, 2005 versions)

      

Solar wind Aurora observed by POLAR and IMAGE

Polar cap: region of open B­field lines in model

vs. 

poleward edge of 

emissions in observ.

Research: Polar cap sizeBastille Day Storm, July 14, 2001, at Earth, July 15

      

Research: Polar cap size

Bastille Day  (cont.):Models roughly follow observed changes in size but follow the solar wind Bz more closely than the observations.

Observed average magnetic co­latitude of boundary varies between 5º (15:20 UT) and 28º (20:10 UT)Range from model results is smaller.

      

Research: Flux Rope FormationAnatomy of flux transfer event seen by ClusterSonnerup, Hasegawa, and Paschmann, Geophys. Res. Letters, L11803, 2004

P |B|

Grad­Shafranov reconstruction of flux rope from Cluster dataat magnetopause:Pressure Pmagnetic field |B|Images turned to match sub­solar region…

V V

      

Research: Flux Rope evolutionSimulation: solar wind clock angle: θ = 120 

M. Kuznetsova, 2005 , run with 1/16 RE resolution at magnetopause

P [nPa] B [nT]

V [km/s]

B field lines

V [km/s]

      

Research: Mission support, collaborations

CLUSTER:A number of researchers used CCMC for magnetopause and cusp features.

CASSINI: CCMC offers runs covering outer heliosphere.

IRIDIUM:Study to compare modeled field­aligned currents with observations is planned.

STEREO:CCMC keeps archive of daily solar­heliospheric runs.Close collaboration expected during satellite operation. 

THEMIS: 5­satellite constellation to study substormsin magnetospheric tail (2007 launch)

X

Users employ simulation runs requested at CCMC

      

Summary

• CCMC is a valuable asset in space physics.

• Models are free to use by anyone for research.

• Modeling becomes more important to analyze 

complex observations.

CCMC web site:    ccmc.gsfc.nasa.gov