Hvad sker der, når en meteor rammer atmosfæren?

I himlen ovenover regner det snavs.

Hvert sekund rammer millioner af snavs, der er mindre end et sandkorn, Jordens øvre atmosfære. I omkring 100 kilometers højde suser støvstykker, hovedsagelig affald fra asteroidekollisioner, gennem himlen og fordamper, mens de går 10 til 100 gange hurtigere end en kugle. De større kan lave striber på himlen, meteorer der tager pusten fra os.

Forskere bruger supercomputere til at hjælpe med at forstå, hvordan små meteorer, usynlige for det blotte øje, frigiver elektroner, der kan detekteres af radar og kan karakterisere hastigheden, retningen og hastigheden af ​​meteordeceleration med høj præcision, så dets oprindelse kan bestemmes. Fordi dette faldende rumstøv hjælper med at danne regnskyer, vil denne grundlæggende forskning om meteorer hjælpe videnskabsmænd til mere fuldt ud at forstå kemien i Jordens atmosfære. Hvad mere er, hjælper meteorsammensætning astronomer med at karakterisere rummiljøet i vores solsystem.

Meteorer spiller en vigtig rolle i den øvre atmosfæriske videnskab, ikke kun for Jorden, men også for andre planeter. De gør det muligt for forskere at være i stand til at diagnosticere, hvad der er i luften ved hjælp af pulserende laser-fjernmålingslidar, som preller af meteorstøv for at afsløre temperaturen, tætheden og vindene i den øvre atmosfære.

Forskere sporer også med radar plasmaet, der genereres af meteorer, og bestemmer, hvor hurtigt vinden bevæger sig i den øvre atmosfære, ved hvor hurtigt plasmaet skubbes rundt. Det er et område, der er umuligt at studere med satellitter, da den atmosfæriske luftmodstand i disse højder vil få rumfartøjet til at gå ind i atmosfæren igen.

Meteorforskningen blev offentliggjort i juni 2021 i Journal of Geophysical Research:Space Physics fra American Geophysical Society.

I den udviklede hovedforfatteren Glenn Sugar fra Johns Hopkins University computersimuleringer til at modellere fysikken i, hvad der sker, når en meteor rammer atmosfæren. Meteoren opvarmes og afgiver materiale med hypersoniske hastigheder i en proces kaldet ablation. Det afgivne materiale smækker i atmosfæriske molekyler og bliver til glødende plasma.

"Det, vi forsøger at gøre med simuleringerne af meteorerne, er at efterligne den meget komplekse ablationsproces for at se, om vi forstår fysikken, der foregår; og for også at udvikle evnen til at fortolke højopløsningsobservationer af meteorer, primært radar. observationer af meteorer," sagde studiemedforfatter Meers Oppenheim, professor i astronomi ved Boston University.

Store radarskåle, såsom det ikoniske, men nu hedengangne Arecibo radarteleskop, har optaget flere meteorer i sekundet på en lille lille plet himmel. Ifølge Oppenheim betyder det, at Jorden bliver ramt af millioner og atter millioner af meteorer hvert sekund.

"Det har været vanskeligt at tolke disse målinger," sagde han. "At vide, hvad vi ser på, når vi ser disse målinger, er ikke så let at forstå."

Simuleringerne i papiret opretter dybest set en boks, der repræsenterer en del af atmosfæren. I midten af ​​kassen placeres en lillebitte meteor, der spytter atomer ud. Partikel-i-celle, tidsdomæne-simuleringer med begrænset forskel blev brugt til at generere tæthedsfordelinger af plasma genereret af meteoratomer, når deres elektroner fjernes ved kollisioner med luftmolekyler.

"Radarer er virkelig følsomme over for frie elektroner," forklarede Oppenheim. "Man laver et stort, konisk plasma, der udvikler sig umiddelbart foran meteoroiden og så bliver fejet ud bag meteoroiden. Det er så det, radaren observerer. Vi vil gerne kunne gå fra, hvad radaren har observeret, tilbage til hvor stor den meteoroid er. Simuleringerne giver os mulighed for at omvendt konstruere det."

Målet er at kunne se på signalstyrken af ​​radarobservationer og kunne få fysiske karakteristika på meteoren, såsom størrelse og sammensætning.

"Hidtil har vi kun haft meget grove estimater af det. Simuleringerne giver os mulighed for at gå ud over de simple rå estimater," sagde Oppenheim.

"Analytisk teori fungerer rigtig godt, når du kan sige:'Okay, dette enkelte fænomen sker, uafhængigt af disse andre fænomener'. Men når det hele sker på én gang, bliver det så rodet. Simuleringer bliver det bedste værktøj," sagde Oppenheim.

Oppenheim blev tildelt supercomputertid af Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) på TACCs Stampede2 supercomputer til meteorsimuleringerne.

"Nu er vi virkelig i stand til at bruge kraften fra Stampede2 - disse gigantiske supercomputere - til at evaluere meteorablation i utrolige detaljer," sagde Oppenheim. "XSEDE gjorde denne forskning mulig ved at gøre det nemt for mig, de studerende og forskningsmedarbejdere at drage fordel af supercomputerne."

"Systemerne er veldrevne," tilføjede han. "Vi bruger mange matematiske pakker og datalagringspakker. De er alle prækompileret og klar til brug på XSEDE. De har også god dokumentation. Og XSEDE-personalet har været meget dygtige. Når vi løber ind i en flaskehals eller forhindring , de er meget hjælpsomme. Det har været et fantastisk aktiv at have."

Astronomer er spring og grænser foran, hvor de var for 20 år siden med hensyn til at kunne modellere meteorablation. Oppenheim henviste til en undersøgelse fra 2020 ledet af Gabrielle Guttormsen fra Boston University, der simulerer en lille meteorablation for at se, hvor hurtigt den varmes op, og hvor meget materiale der bobler væk.

Meteorablationsfysik er meget svært at gøre med pen- og papirberegninger, fordi meteorer er utroligt inhomogene, sagde Oppenheim. "Du modellerer i bund og grund eksplosioner. Al denne fysik foregår på millisekunder, hundredvis af millisekunder for de større, og for boliderne, de gigantiske ildkugler, der kan vare et par sekunder, taler vi sekunder. De er eksplosive begivenheder ."

Oppenheims team modellerer ablation hele vejen fra picosekunder, som er tidsskalaen for meteorens opløsning og atomerne, der interagerer, når luftmolekylerne smækker ind i dem. Meteorerne rejser ofte med voldsomme hastigheder på 50 kilometer i sekundet eller endda op til 70 kilometer i sekundet.

Oppenheim skitserede tre forskellige typer simuleringer, han udfører for at angribe meteorablationsproblemet. For det første bruger han molekylær dynamik, der ser på individuelle atomer, mens luftmolekylerne smækker ind i de små partikler i picosekunders tidsopløsning.

Dernæst bruger han en anden simulator til at se, hvad der sker, da disse molekyler derefter flyver væk, og så smækker de uafhængige molekyler ind i luftmolekylerne og bliver til et plasma med elektromagnetisk stråling. Til sidst tager han det plasma og affyrer en virtuel radar mod det og lytter efter ekkoerne der.

Indtil videre har han ikke været i stand til at kombinere disse tre simuleringer til én. Det er, hvad han beskriver som et "stift problem", med for mange tidsskalaer til, at nutidens teknologi kan håndtere en selvkonsistent simulering.

Oppenheim sagde, at han planlægger at ansøge om supercomputertid på TACCs NSF-finansierede Frontera supercomputer, den hurtigste akademiske supercomputer på planeten. "Stampede2 er god til mange mindre testkørsler, men hvis du har noget virkelig massivt, er Frontera beregnet til det," sagde han.

Oppenheim sagde:"Supercomputere giver videnskabsmænd magten til at undersøge de virkelige fysiske processer i detaljer, ikke forenklede legetøjsmodeller. De er i sidste ende et værktøj til numerisk at teste ideer og komme til en bedre forståelse af naturen af ​​meteorfysik og alt i universet ."