Суперкомпьютеры улучшают предсказание космической погоды

Используя суперкомпьютеры, исследователи разрабатывают новое программное обеспечение для улучшения прогнозов космической погоды.

Поверхность солнца излучает энергию и часто выбрасывает массы сильно намагниченной плазмы на Землю. Иногда эти выбросы бывают достаточно сильными, чтобы прорваться сквозь магнитосферу — естественный магнитный экран, защищающий Землю, — нанося вред спутникам или электрическим сетям. Такие явления космической погоды могут иметь катастрофические последствия.

Астрономы веками изучали активность Солнца со все большим и большим пониманием. Сегодня компьютеры занимают центральное место в поисках понимания поведения Солнца и его роли в явлениях космической погоды.

В законе PROSWIFT (Promoting Research and Observations of Space Weather to Improve the Forecasting of Tomorrow) (содействие исследованиям и наблюдениям космической погоды для улучшения прогнозов на завтра) говорится о необходимость разработки более совершенных инструментов прогнозирования космической погоды.

«Космическая погода требует продукта, работающего в режиме реального времени, чтобы мы могли прогнозировать столкновения до события, а не только после него. Эта тема, связанная с национальными космическими программами, окружающей средой и другими проблемами, недавно была переведена на более высокий уровень», — пояснил Николай Погорелов, выдающийся профессор космических наук в Университете Алабамы в Хантсвилле, который использовал компьютеры для изучения космической погоды.

«Мы не думаем об этом, но на электрическую связь, GPS и повседневные гаджеты могут влиять экстремальные эффекты космической погоды», — сказал Погорелов.

Кроме того, США планируют миссии на другие планеты и на Луну. Все потребует очень точных прогнозов космической погоды — для проектирования космических кораблей и для предупреждения космонавтов об экстремальных явлениях. При финансовой поддержке Национального научного фонда (NSF) и НАСА Погорелов возглавляет группу, работающую над совершенствованием современных методов прогнозирования космической погоды.

«Это исследование, сочетающее в себе сложную науку, передовые вычисления и захватывающие наблюдения, продвинет наше понимание того, как Солнце влияет на космическую погоду и его влияние на Землю. Эта работа поможет ученым прогнозировать явления космической погоды и повысить устойчивость нашей страны к этим потенциальным стихийным бедствиям», — сказал Мангала Шарма, программный директор по космической погоде в Отделе атмосферных и геокосмических наук NSF.

Погорелов использует суперкомпьютер Frontera в Техасском центре передовых вычислений (TACC) — девятом по скорости в мире — а также в Центре передовых суперкомпьютеров NASA (NAS) в Исследовательском центре Эймса НАСА и суперкомпьютерном центре Сан-Диего, чтобы улучшить модели и методы, лежащие в основе прогнозирования космической погоды.

Турбулентность играет ключевую роль в динамике солнечного ветра и корональных выбросов массы. У этого сложного явления много граней, включая роль взаимодействия ударной волны с турбулентностью и ускорения ионов.

«Солнечная плазма не находится в тепловом равновесии. Это создает интересные особенности», — сказал Погорелов.

В статье для Astrophysical Journal в апреле 2021 года Погорелов вместе с Майклом Гедалиным (Университет Бен-Гуриона в Негеве, Израиль) и Вадимом Ройтерштейном (Институт космических наук) описали роль обратных захватывающих ионов в ускорении заряженных частиц во Вселенной. Обратные ионы межзвездного или местного происхождения улавливаются намагниченной плазмой солнечного ветра и движутся радиально наружу от Солнца.

«Некоторые нетепловые частицы могут быть дополнительно ускорены для создания частиц солнечной энергии, которые особенно важны для условий космической погоды на Земле и для людей в космосе», — сказал он.

Погорелов провел моделирование на Фронтере, чтобы лучше понять это явление и сравнить его с наблюдениями космических аппаратов Вояджер 1 и 2, которые исследовали внешние пределы гелиосферы и теперь предоставляют уникальные данные из местной межзвездной среды.

Одним из основных направлений предсказания космической погоды является правильное прогнозирование появления корональных выбросов массы — выброса плазмы и сопутствующего магнитного поля из солнечной короны — и определение направления магнитного поля, которое она несет с собой.

В этом помогает исследование обратного потока ионов, проведенное группой Погорелова, а также работа, опубликованная в Astrophysical Journal в 2020 году, в которой использовалась магнитогидродинамическая модель на основе магнитного жгута для предсказания времени прибытия на Землю и конфигурации магнитного поля корональной массы 12 июля 2012 года выброс. (Магнитогидродинамика относится к магнитным свойствам и поведению электропроводящих жидкостей, таких как плазма, которая играет ключевую роль в динамике космической погоды).

«15 лет назад мы не знали так много о межзвездной среде или свойствах солнечного ветра. Сегодня у нас есть так много наблюдений, которые позволяют нам проверять наши коды и делать их намного более надежными», — сказал Погорелов.

Погорелов является одним из исследователей бортового компонента солнечного зонда Parker под названием SWEAP (инструмент солнечного ветра, электронов, протонов и альфа). С каждой орбитой зонд приближается к Солнцу, предоставляя новую информацию о характеристиках солнечного ветра.

«Вскоре он выйдет за пределы критической сферы, где солнечный ветер станет сверхбыстрым магнитозвуковым, и у нас будет информация о физике ускорения и переноса солнечного ветра, которой у нас никогда не было», — сказал он.

По мере появления зонда и других новых инструментов наблюдений Погорелов ожидает появления большого количества новых данных, которые могут предоставить информацию и стимулировать разработку новых моделей, относящихся к прогнозированию космической погоды.

По этой причине, наряду со своими фундаментальными исследованиями, Погорелов разрабатывает программную среду, которая является гибкой, может использоваться различными исследовательскими группами по всему миру и может интегрировать новые данные наблюдений.