Beskyttelse af jorden mod rumstorme

"Der er kun to naturkatastrofer, der kan påvirke hele USA, " ifølge Gabor Toth, professor i klima- og rumvidenskab og teknik ved University of Michigan. "Den ene er en pandemi, og den anden er en ekstrem rumvejrbegivenhed."

Vi ser i øjeblikket virkningerne af den første i realtid.

Den sidste større rumvejrbegivenhed ramte Jorden i 1859. Mindre, men stadig betydningsfuldt, rumvejrshændelser forekommer jævnligt. Disse stegeelektronik og elnet, forstyrre globale positioneringssystemer, forårsage forskydninger i rækkevidden af ​​Aurora Borealis, og øge risikoen for stråling til astronauter eller passagerer på fly, der krydser polerne.

"Vi har alle disse teknologiske aktiver, der er i fare, " sagde Toth. "Hvis en ekstrem begivenhed som den i 1859 skete igen, det ville fuldstændig ødelægge elnettet og satellit- og kommunikationssystemer - indsatsen er meget højere."

Motiveret af Det Hvide Hus National Space Weather Strategy and Action Plan og National Strategic Computing Initiative, i 2020 oprettede National Science Foundation (NSF) og NASA programmet Space Weather with Quantified Uncertainties (SWQU). Det samler forskerhold fra på tværs af videnskabelige discipliner for at fremme de nyeste statistiske analyser og højtydende beregningsmetoder inden for rumvejrmodellering.

"Vi er meget stolte over at have lanceret SWQU-projekterne ved at samle ekspertise og støtte på tværs af flere videnskabelige domæner i en fælles indsats mellem NSF og NASA, " sagde Vyacheslav (Slava) Lukin, programdirektøren for Plasmafysik på NSF. "Behovet har været erkendt i nogen tid, og porteføljen af ​​seks projekter, Gabor Toth er blandt dem, engagerer ikke kun de førende universitetsgrupper, men også NASA-centre, Department of Defense og Department of Energy National Laboratories, såvel som den private sektor."

Toth hjalp med at udvikle nutidens fremtrædende rumvejr forudsigelsesmodel, som bruges til operationel prognose af National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). Den 3. februar 2021, NOAA begyndte at bruge Geospace Model Version 2.0, som er en del af University of Michigans Space Weather Modeling Framework, at forudsige geomagnetiske forstyrrelser.

"Vi forbedrer konstant vores modeller, " sagde Toth. Den nye model erstatter version 1.5, som har været i drift siden november 2017. "Den vigtigste ændring i version 2 var raffineringen af ​​det numeriske gitter i magnetosfæren, flere forbedringer i algoritmerne, og en rekalibrering af de empiriske parametre."

Geospace-modellen er baseret på en global repræsentation af Jordens georummiljø, der inkluderer magnetohydrodynamik - egenskaberne og adfærden af ​​elektrisk ledende væsker som plasma, der interagerer med magnetiske felter, som spiller en nøglerolle i dynamikken i rumvejret.

Geospace-modellen forudsiger magnetiske forstyrrelser på jorden som følge af geospace-interaktioner med solvind. Sådanne magnetiske forstyrrelser inducerer et geoelektrisk felt, der kan beskadige store elektriske ledere, såsom elnettet.

Kortsigtet avanceret advarsel fra modellen giver prognosemagere og elnetoperatører situationsbevidsthed om skadelige strømme og giver tid til at afbøde problemet og opretholde integriteten af ​​det elektriske elnet, NOAA annoncerede på tidspunktet for lanceringen.

Så avanceret som Geospace-modellen er, den giver kun omkring 30 minutters avanceret advarsel. Toths team er en af ​​flere grupper, der arbejder på at øge gennemløbstiden til en til tre dage. At gøre det betyder at forstå, hvordan aktivitet på Solens overflade fører til begivenheder, der kan påvirke Jorden.

"Vi bruger i øjeblikket data fra en satellit, der måler plasmaparametre en million miles væk fra Jorden, " forklarede Toth. Forskere håber at kunne starte fra Solen, ved hjælp af fjernobservation af Solens overflade – især, koronale masseudstødninger, der producerer flares, der er synlige i røntgenstråler og UV-lys. "Det sker tidligt på Solen. Fra det tidspunkt, vi kan køre en model og forudsige ankomsttiden og virkningen af ​​magnetiske hændelser."

Forbedring af ledetiden for rumvejrsudsigter kræver nye metoder og algoritmer, der kan beregne langt hurtigere end dem, der bruges i dag, og som kan implementeres effektivt på højtydende computere. Toth bruger Frontera-supercomputeren på Texas Advanced Computing Center - det hurtigste akademiske system i verden og det 10. mest kraftfulde generelt - til at udvikle og teste disse nye metoder.

"Jeg betragter mig selv som rigtig god til at udvikle nye algoritmer, " sagde Toth. "Jeg anvender disse til rumfysik, men mange af de algoritmer, jeg udvikler, er mere generelle og ikke begrænset til én applikation."

En vigtig algoritmisk forbedring foretaget af Toth involverede at finde en ny måde at kombinere de kinetiske og flydende aspekter af plasmaer i en simulationsmodel. "Folk prøvede det før og fejlede. Men vi fik det til at fungere. Vi går en million gange hurtigere end brute-force simuleringer ved at opfinde smarte tilnærmelser og algoritmer, " sagde Toth.

Den nye algoritme tilpasser dynamisk placeringen omfattet af den kinetiske model baseret på simuleringsresultaterne. Modellen identificerer interesseområderne og placerer den kinetiske model og beregningsressourcerne til at fokusere på dem. Dette kan resultere i en hastighed på 10 til 100 gange for rumvejrmodeller.

Som en del af NSF SWQU-projektet, Toth og hans team har arbejdet på at få Space Weather Modeling Framework til at køre effektivt på fremtidige supercomputere, der er stærkt afhængige af grafiske behandlingsenheder (GPU'er). Som et første mål, de satte sig for at portere Geospace-modellen til GPU'er ved hjælp af NVIDIA Fortran-kompileren med OpenACC-direktiver.

De formåede for nylig at køre hele Geospace-modellen hurtigere end i realtid på en enkelt GPU. De brugte TACCs GPU-aktiverede Longhorn-maskine til at nå denne milepæl. For at køre modellen med samme hastighed på traditionel supercomputer kræver det mindst 100 CPU-kerner.

"Det tog et helt år med kodeudvikling at få dette til at ske, sagde Toth. "Målet er at køre et ensemble af simuleringer hurtigt og effektivt for at give en sandsynlig rumvejrudsigt."

Denne form for probabilistisk forudsigelse er vigtig for et andet aspekt af Toths forskning:Lokalisering af forudsigelser med hensyn til indvirkningen på Jordens overflade.

"Skal vi bekymre os i Michigan eller kun i Canada? Hvad er den maksimale inducerede strøm, bestemte transformatorer vil opleve? Hvor længe skal generatorer være slukket? For at gøre dette præcist, du har brug for en model du tror på, " sagde han. "Uanset hvad vi forudsiger, der er altid en vis usikkerhed. Vi ønsker at give forudsigelser med præcise sandsynligheder, svarende til terrestriske vejrudsigter."

Toth og hans team kører deres kode parallelt på tusindvis af kerner på Frontera for hver simulering. De planlægger at køre tusindvis af simuleringer over de kommende år for at se, hvordan modelparametre påvirker resultaterne for at finde de bedste modelparametre og for at kunne knytte sandsynligheder til simuleringsresultater.

"Uden Frontera, Jeg tror ikke, vi kunne lave denne forskning, " sagde Toth. "Når du sammensætter smarte mennesker og store computere, store ting kan ske."

Michigan Sol-til-Jord-modellen, inklusive SWMF Geospace og den nye GPU-port, er tilgængelig som open source på https://github.com/MSTEM-QUDA.