太阳风吹过哪种方式?超级计算机改善空间天气预报

观测和模拟冠状大规模射血的比较

(顶部面板,从左右到右)2012年7月12日在立体声B cor2,Soho C2和立体声Cor2菌中看到的冠状大规模喷射。(底部面板)与模型结果重叠的相同图像。信用:Talwinder Singh,Mehmet S. Yalim,Nikolai V. Pogorelov和Nat Gopalswamy

研究人员使用超级计算机开发了新的空间天气预报的新软件。

太阳的表面与能量搅拌,经常弹出高度磁化的质量等离子体走向地球。有时,这些喷射足以通过磁层崩溃 - 保护地球损坏卫星或电网的天然磁屏蔽。这种空间天气事件可能是灾难性的。

天文学家研究了几个世纪以来的阳光的活动,更大和更大的理解。今天,计算机是寻求了解太阳的行为及其在太空天气事件中的作用的核心。

两普蒂拿波利福(促进空间天气的研究和观察,以改善明天的预测)法案在2020年10月通过法律,正式化需要开发更好的空间天气预报工具的必要性。

“太空天气需要一个实时产品,因此我们可以预测在一个事件之前的影响,而不仅仅是之后,”亨茨维尔大学的空间科学教授解释说,亨茨维尔的杰出教授一直在使用计算机来学习空间天气几十年。“这个关于国家空间计划,环境和其他问题的主题 - 最近升级到更高水平。”

对于许多人来说,天气可能看起来像一个遥远的关注,而是像大流行一样 - 我们所知道的东西是可能的,灾难性的 - 我们可能不会意识到它的危险,直到为时已晚。

“我们不考虑它,但电气通信,GPS和日常小工具可以通过极端空间的天气效应来实现,”Pogorelov说。

此外,美国规划了其他行星和月球的任务。所有人都需要非常准确的空间天气预测 - 用于宇宙飞船的设计,并提醒宇航员到极端事件。

国家科学基金会(NSF)和资金美国宇航局,Pogorelov领导一支努力改善空间天气预报的最先进的团队。

由磁场线螺纹的冠状块射出

通过等离子体温度着色的赤道切片中的磁场线螺纹螺纹。信用:太空天气2020年4月(DOI:10.1029 / 2019SW002405),美国地球物理联盟

“这项研究,混合复杂的科学,先进的计算和令人兴奋的观察,将推动我们对太阳驾驶天气的理解及其对地球的影响,”大气和地区科学分部的空间天气计划总监Mangala Sharma说NSF。“这项工作将有助于科学家预测空间天气事件,并建立我们国家对抗这些潜在的自然灾害的恢复力。”

多制度努力涉及美国宇航局戈达德和马歇尔空间飞行中心,劳伦斯伯克利国家实验室和两家私营公司,预测科学公司和太空系统研究公司。

Pogorelov uses the Frontera supercomputer at the Texas Advanced Computing Center (TACC) — the ninth fastest in the world — as well as at both the NASA Advanced Supercomputing (NAS) Facility at NASA’s Ames Research Center, and the San Diego Supercomputing Center, to improve the models and methods at the heart of space weather forecasting.

湍流在太阳风和冠状大众射血的动态中起着关键作用。这种复杂的现象具有许多方面,包括冲击湍流相互作用和离子加速的作用。

“太阳等离子体不是热平衡。这是创造了有趣的功能,“Pogorelov说。

写作天体物理杂志2021年4月,波多利洛夫以及迈克尔·韦达林(Negev,以色列)和Vadim Roytershteyn(空间科学研究所的Ben Gurion大学)介绍了后游拾取离子在宇宙中带电粒子加速中的作用。由磁化太阳能等离子体拾取间隙或局部起源的后射离离子,从太阳径向向外移动。

“一些非热颗粒可以进一步加速,以产生太阳能粒子,对地球上的空间天气条件以及空间中的人来说尤为重要,”他说。

Pogorelov在Frontera进行了模拟,以更好地了解这种现象,并将其与Voyager 1和2的观察结果进行比较,这些航天器探索了氦圈的外部到来,现在提供来自当地星际介质的独特数据。

太空天气预报的主要焦点之一是正确预测冠状大气喷射的到来 - 从太阳能电晕和伴随太阳电晕的等离子体释放 - 并确定其携带的磁场的方向。Pogorelov的团队对后游离子的研究有助于这样做,因为工作所发表的工作天体物理杂志在2020年,使用了一种基于磁通绳的磁力流体动力学模型,以预测到2012年7月12日,冠状大规模喷射的地球和磁场配置的到达时间。(磁力流体动力学是指导电流体等等离子体的磁性和行为,其在空间天气的动态中起着关键作用。

模拟冠状大规模喷射

插入内边界r = 0.1 au的磁场线配置插入的冠状质量喷射,用红色球体示出。信用:Talwinder Singh,Tae K. Kim,Nikolai V. Pogorelov和Charles N.Arge

“十五年前,我们不知道这么多关于星际介质或太阳风性质,”Pogorelov说。“我们今天提供了如此多的观察结果,使我们能够验证我们的代码并使它们更加可靠。”

Pogorelov是帕克太阳能探头的车载组件的共同调查器,称为SWEAP(太阳能通电电子,质子和alphas仪器)。通过每个轨道,探头接近太阳,提供有关太阳风特征的新信息。

“很快它会穿透太阳风变得超级磁音的临界球体,我们将有关于我们从未拥有过的太阳风加速度和运输物理学的信息,”他说。

由于探头和其他新的观察工具可用,Pogorelov预期了丰富的新数据,可以提供通知和推动与空间天气预报相关的新模型的开发。因此,与他的基础研究一起,Pogorelov正在开发一个软件框架,这是由世界各地的不同研究群体灵活的软件框架,并可以集成新的观测数据。

“毫无疑问,多年来,Photosphere和Solar Corona的数据质量将会显着提高,这两者都是可用的新数据和新的,更复杂的与数据一起使用的方式,”他说。“我们正在尝试以一种方式构建软件,即如果用户从新的科学任务中提出更好的边界条件,它们将更容易整合该信息。”

参考:

迈克尔·戈登林(Nikolai V.Pogorelov)和Vadim Roytershteyn,4月2日,迈克尔·韦达林(Michael Gedalin)的“后游拾取离子”。天体物理杂志
DOI:10.3847 / 1538-4357 / ABE62C

“适用于冠状大众射血模拟的修改过菱形模型”,由Talwinder Singh,Mehmet S. Yalim,Nikolai V. Pogorelov和Nat Gopalswamy,5月5日,5月5日,天体物理杂志
DOI:10.3847 / 1538-4357 / AB845F

“将修饰的球辐射模型在内氦晶石中的冠状大众射出模拟”由Talwinder Singh,Tae K.Kim,Nikolai V.Pogorelov和Charles N.Arge,4月23日,4月23日,太空天气
DOI:10.1029 / 2019SW002405

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