Исследователи в США использовали суперкомпьютеры, чтобы получить представление о происхождении солнечного ветра. Это поток высокоэнергетических частиц от Солнца, который может повредить спутники, угрожать астронавтам и даже нарушить работу электрических и электронных систем на Земле.
Выбросы этих заряженных частиц вообще сложно предсказать, поскольку они являются результатом сложных нелинейных процессов, происходящих в солнечной короне — внешней атмосфере нашей звезды. Корона представляет собой чрезвычайно горячую плазму ионизированных частиц, которую невозможно воспроизвести в контролируемой лабораторной среде. Теперь ученые из Колумбийского университета в Нью-Йорке разработали метод предсказания этих событий с помощью суперкомпьютеров.
«Поскольку у нас есть только ограниченное количество измерений свойств плазмы в окрестностях Солнца, существуют значительные неопределенности в знаниях о физических свойствах плазмы», — говорит Лука Комиссо, в соавторстве с Лоренцо Сирони отчета, описывающего исследование. «Эти неопределенности резко усиливаются нелинейными процессами, такими как удары, магнитное пересоединение и турбулентность».
Неопределенность начальных условий плазмы в сочетании со сложностью нелинейных процессов, связанных с ускорением солнечных частиц, делает эту проблему трудноразрешимой. Таким образом, был использован подход, который в значительной степени опирается на новые методы высокопроизводительных вычислений (HPC).
Уникальный в своем успехе
Конечно, HPC — это не панацея, позволяющая пользователю получить ответ на любой заданный им вопрос. Люди уже пытались — и потерпели неудачу — использовать суперкомпьютеры для решения этой проблемы. Попытка Комиссо и Сирони была уникальной по своему успеху.
Одна из проблем, над которой боролись ученые, заключалась в том, чтобы объяснить, как высокоэнергетические частицы ускоряются за счет более низкой тепловой энергии плазмы. Если некоторые частицы сначала ускоряются неизвестным процессом, определенные плазменные процессы, такие как удары, могут еще больше ускорить эти частицы до энергий, которые угрожают спутникам и астронавтам. Задача состоит в том, чтобы понять это начальное ускорение.
«Ключевой нерешенной проблемой здесь было понимание того, как некоторые частицы могут начать получать энергию «с нуля», — говорит Комиссо. «Основной возможностью было изучить эффекты турбулентности в плазме, поскольку ожидается, что плазма будет находиться в турбулентном состоянии в атмосфере Солнца. Чтобы проанализировать эту возможность и увидеть, действительно ли она работает, нужно решить сложные нелинейные уравнения».
Комплексный расчет
Решение этих уравнений требует ресурсов HPC, и дуэт полагался на метод частиц в ячейке для описания процесса ускорения частиц в турбулентной плазме. Чтобы упростить сложный расчет, этот процесс следует траекториям электронов и ионов в самосогласованных электромагнитных полях, рассчитанным на фиксированной вычислительной сетке.
Чтобы упростить задачу, в предыдущих исследованиях использовались приближения, которые искажали конечные результаты. Комиссо говорит, что их последняя работа смогла показать, что турбулентность внешней атмосферы Солнца обеспечивает начальное ускорение. Кроме того, их результат был получен с использованием строгого метода, не использующего предыдущие приближения.
Крупномасштабное моделирование для этой работы было выполнено на НАСА. Плеяды суперкомпьютер НАСА и Кори суперкомпьютер в Национальном научно-вычислительном центре энергетических исследований США. На обеих машинах исследователи запускали код «частица в ячейке», используя от 50,000 100,000 до 1500 200 центральных процессоров (ЦП) и около XNUMX узлов для каждого моделирования. Этот значительный вычислительный ресурс был необходим для отслеживания почти XNUMX миллиардов частиц, которые участвовали в каждом моделировании.
Защита космических исследований
Похоже, что это исследование сыграет жизненно важную роль в улучшении нашего понимания излучения, которое представляет угрозу для астронавтов и космических кораблей.
Что, если разразится солнечная супербуря?
«Эти высокоэнергетические частицы представляют опасность для людей, находящихся вне защитного покрова магнитосферы Земли», — говорит Комиссо. «По сути, Солнце проходит через фазы сильной активности, которые могут привести к крупным событиям солнечных частиц высокой энергии со значительной интенсивностью протонов высокой энергии. Большая интенсивность протонов высокой энергии представляет радиационную опасность для облученных людей. Большие дозы облучения подвергают астронавтов значительному увеличению риска развития рака и, возможно, смерти».
Однако последствия этого исследования выходят за рамки этого. Как указывает Комиссо, Солнце — не единственный астрофизический объект, который можно изучать с помощью этого метода. Например, частицы ускоряются вблизи других небесных объектов, таких как нейтронные звезды и черные дыры.
«Я думаю, что мы лишь коснулись поверхности того, что моделирование на суперкомпьютерах может рассказать нам о том, как частицы могут получать энергию в турбулентной плазме», — говорит Комиссо.
Исследование описано в Астрофизические Журнальные Письма.
