研究：超级计算机提高了空间天气预报能力

导读：据外媒报道，太阳表面充满了能量并经常向地球喷射大量的高磁化等离子体。

据外媒报道，太阳表面充满了能量并经常向地球喷射大量的高磁化等离子体。有时，这些喷射物的强度足以穿透磁层--保护地球的天然磁屏蔽--破坏卫星或电网。这种空间天气事件可能是灾难性的。几个世纪以来，天文学家对太阳活动的研究越来越深入。现在，计算机是了解太阳行为及其在空间天气事件中的作用的核心。

美国两党合作的《PROSWIFT（促进空间天气研究和观测以改善未来预测）法案》于2020年10月通过成为法律，该法案使得开发更好的空间天气预测工具的必要性正式确立。

阿拉巴马州亨茨维尔大学空间科学的杰出教授Nikolai Pogorelov表示：“空间天气需要实时产品，这样我们才能在事件发生前预测影响，而不仅仅是在事件发生后。这个主题--跟国家太空计划、环境和其他问题有关--最近升级到了一个更高的水平。”据悉，他已经使用计算机研究空间天气数十年了。

对许多人来说，空间天气似乎是一个遥远的问题，但就像一种流行病--我们知道这是可能的和灾难性的--我们可能直到为时已晚才意识到它的危险。

Pogorelov指出：“我们没有想到，电子通信、GPS和日常用品都可能受到极端太空天气的影响。”

此外，美国正在计划其他行星和月球的任务。所有这些都需要非常精确的空间天气预测--用于宇宙飞船的设计并向宇航员发出极端事件的警报。

在美国国家科学基金会(NSF)和NASA的资助下，Pogorelov领导了一个致力于提高空间天气预报的先进水平的团队。

NSF大气和地球空间科学部空间天气项目主任Mangala Sharma表示：“这项研究结合了复杂的科学、先进的计算技术和令人兴奋的观测，其将促进我们对太阳如何驱动空间天气及其对地球的影响的理解。这项工作将帮助科学家预测太空天气事件并建立我们国家抵御这些潜在自然灾害的能力。”

这项多机构合作的工作包括NASA戈达德和马歇尔太空飞行中心、劳伦斯伯克利国家实验室及两家私营公司--预测科学公司和空间系统研究公司。

Pogorelov使用Frontera超级计算机在德克萨斯高级计算中心(TACC)--全球第九快--及在位于NASA艾姆斯研究中心的NASA先进超级计算机(NAS)设施和圣地亚哥超级计算中心来提高核心空间天气预报的模型和方法。

湍流在太阳风和日冕物质抛射的动力学中起着关键作用。这一复杂的现象有许多方面，包括激波-湍流相互作用和离子加速的作用。

“太阳等离子体并不处于热平衡状态。这创造了有趣的特征，”Pogorelov说道。。

Pogorelov、Michael Gedalin（以色列内盖夫本古里安大学）和Vadim Roytershteyn）（空间科学研究所）于2021年4月的《Astrophysical Journal》上发表的文章描述了在宇宙带电粒子加速中逆流拾起离子的作用。回流的离子--无论是来自星际还是本地--都被磁化的太阳风等离子体吸收并从太阳向外辐射移动。

Pogorelov指出：“一些非热粒子可以进一步加速，从而产生太阳能量粒子，这些粒子对地球上的空间天气条件和太空中的人特别重要。”

Pogorelov在Frontera上进行了模拟从而更好地理解这一现象，并将其跟旅行者1号和旅行者2号的观测结果进行比较。旅行者1号和旅行者2号探索了日球层的外层，现在正在提供来自本地星际介质的独特数据。

空间天气预报的主要焦点之一是正确预测日冕物质抛射的到来--日冕释放的等离子体和伴随的磁场--并确定其所携带的磁场方向。Pogorelov团队对回流流离子的研究有助于实现这一目标。该研究利用基于磁通绳的磁流体力学模型预测了2012年7月12日日冕物质抛射的到达地球时间和磁场结构。

Pogorelov继续说道：“15年前，我们对星际介质或太阳风的性质了解不多。我们现在有如此多的观测数据，这使我们能够验证我们的代码并使得它们更加可靠。”

Pogorelov是帕克太阳探测器上一个被称为SWEAP的组件的合作研究者。该探测器每绕一圈就会靠近太阳一点，它负责提供有关太阳风特征的新信息。

“很快，它将穿透太阳风变成超快磁声速的临界层，我们将获得关于太阳风加速和传输的物理信息，这是我们以前从未有过的，”Pogorelov说道。

随着探测器和其他新的观测工具的使用，Pogorelov预计会有大量的新数据，这些数据可以为跟空间天气预报相关的新模型提供信息并推动其发展。出于这个原因，在其基础研究之外，Pogorelov正在开发一个软件框架。据悉，该软件框架是灵活的，它可以被世界各地的不同研究小组使用并可以整合新的观测数据。“毫无疑问，在未来的几年里，来自光球层和日冕的数据质量将显著提高，因为有新的数据和更复杂的数据处理方法。我们正在尝试构建这样一种软件，如果用户在新的科学任务中提出更好的边界条件，他们将更容易整合这些信息，”Pogorelov说道。