Superkompiuteriai padeda mokslininkams tirti magnetosferą ir saulės audras

Primary tabs

Saulė kyla, leidžiasi ir vėl kyla, tai leidžia mums auginti pasėlius, įdegti bei atlikti daugelį kitų žmonijai svarbių funkcijų. Nieko stebėtino, kad senovėje daugelis civilizacijų saulę siejo su dieviškumu. Tačiau mokslininkai įspėja, kad saulė yra pavojinga; saulės magnetiniai laukai ir sintezės energija į kosmosą ir kartu į žemę išspjauna radiacijos kamuolius. Šį fenomeną kosmoso fizikai vadina kosminiu oru.

Mūsų laimei, žemės magnetinis dipolis sukuria skydą - magnetosferą. Tačiau šis skydas nėra tobulas. Saulės skleidžiama radiacija, jonizuotų dujų forma (arba plazma) gali prasiskverbti pro žemės apsaugas ir įsilieti į procesą žinomą kaip magnetinis persijungimas. Šis procesas gali sutrikdyti kasdieninį žmonių gyvenimą bei elektroninių prietaisų veiklą. Saulės audros gali nutraukti netgi elektrinių veiklą, taip sustabdydamos elektros tiekimą. Iki šiol yra užfiksuota daugiau negu 4 milijardai, dėl kosminio oro kilusių, satelitinių avarijų. Šiais laikais, vis daugiau avialinijų skraido arti polių, kur saulės radiacija yra pasiekusi piką ir sukelia didelę riziką keleiviams. Jeigu senovės civilizacijos saulę garbino, tai šiuolaikiniai žmonės turi priežasčių ją keikti.

Saulės audrų metu radiacija žemę pasiekia apytiksliai per 1-5 dienas. Jeigu tik žemės gyventojai žinotų apie saulės radiacijos pliūpsnius, šis laikotarpis galėtų suteikti laiko pasiruošti ir apsisaugoti nuo kai kurių neigiamų padarinių.

„Saulės audros atveju, mes negalime tiksliai prognozuoti, kokio masto pavojus gresia žemei. Mes tiesiog privalome sukurti technologiją, kuri mums leis atlikti tikslias prognozes“, - teigė Dr. Homa Karimadabi, Kalifornijo San Diego universiteto (UCSD) kosmoso fizikas. Karimabadi glaudžiai bendradarbiaudamas su Dr. William Daughton Los Alamos nacionaline laboratorija, savo tyrimams naudoja „Oak Ridge computing Facility‘s“ (OLCF‘s) XT5 superkompiuterį „Jaguar“. Jaguar – vienas iš galingiausių kompiuterių pasaulyje, kurio našumo charakteristika siekia 2.33 petaflopų (Petaflop – tai tūkstančiai trilijonų plaukiojančio taško operacijų per sekundę), tai įgalina mokslininkus geriau suprasti procesus įtakojančius kosmoso orą. Tyrimo metu Karimabadi, studijuodamas kaip skleidžiama plazma sąveikauja su žemės magnetosfera, intensyviai naudojosi energijos departamento aukšto pajėgumo kompiuterinėmis sistemomis. Pagrindinis Mokslininkų tikslas buvo nuodugniai ištirti, kas atsitinka kaip plazma ir magnetosfera susikerta, kokios medžiagos pro ją prasiskverbia ir kodėl tai įvyksta.

Tyrėjų komanda pasitelkę „Kraken“ XT5 sistemą, sumodeliavo magnetinio persijungimo procesą, kuris yra laikomas pagrindine kosminio oro priežastimi. Šis tyrimas buvo papildytas superkompiuterio Jaguar duomenimis. Informacija gauta iš šių simuliatorių iškėlė naujus iššūkius. Vienkartinis superkompiuterio modeliavimas sugeneruoja 200 terabaitų multidimensinės informacijos. Karimabadi norėdamas susidoroti su šiuo iššūkiu, dirbo kartu su Burlen Loring of Lawrence Berkeley nacionaline laboratorija, kad sukurtų specializuotą vizualizacijos techniką. „Iškoduodami magnetinio lauko linijų spalvas, saulės vėjų vizualizacijose ir magnetosferoje, mes galime nustatyti medžiagų susimaišymo lygį“, - teigė Karimadabi. Dėka Kraken ir Jaguar sistemų greičio ir galios, šis sudėtingas susimaišymo fenomenas pagaliau tampa suprantamu. Nors Karimabadi šioje srityje dirba jau 15 metų, tik nuo petaskalinių kompiuterinių sistemų simuliacijų atsiradimo tyrimai pradeda rodyti rezultatus, kurie tenkina mokslininkus. Prieš tai globalus žemės magnetosferos modeliavimas buvo paremtas magnetohydrodinamikos simuliacijomis, kurios nebuvo tikslios ir ignoravo svarbiausius persijungimo proceso faktorius. Plazma buvo laikoma skysčiu arba vientisu kūnu; šis požiūris ignoravo pagrindinius fizikos procesus, tačiau dėl ribotų kompiuterinių sistemų galimybių buvo būtinas.

Dabar su petaskaliniais kompiuteriais yra įmanoma sumodeliuoti magnetinį persijungimą, įtraukiant ir kinetinius efektus, - individualias daleles, kurios sukuria jonizuotas dujas. „ Su petaskalės kompiuterija mes galime atlikti globalias magnetosferos dalelių 3D simuliacijas, kurios traktuoja jonus kaip daleles, o elektronai yra laikomi skysčiais. Taip pat, dabar yra įmanoma naudoti tokia rezoliuciją, apie kurią net nesvajojome“, - teigė Karimabadi. Pavyzdžiui, 2006 metais didžiausia galima simuliacija susidėjo iš 1 milijardo individualių dalelių. Dabar Jaguar superkompiuteris gali sumodeliuoti 3.2 milijardus dalelių, - šis raiškos padidėjimas įvykius apšvietė naujoje šviesoje. Mokslininkų komanda su galinga technika stebi elektronų ir jonų struktūras ir jų turbulencijas. Mokslininkai padidina juos dominančio magnetosferos regiono vaizdą. „Jeigu jūs žiūrite į Saturną be jokio įrangos, jis bus panašus į neryškų kamuolį, tačiau pasitelkę galingą teleskopą pamatysite planetos žiedus ir aiškią struktūrą“, - aiškino Karimabadi.

Jaguar kompiuteris yra teleskopo analogas, tačiau to neužtenka, Karimabadi naudoja du savo sukurtus programinius kodus: „H3D“ ir „VPIC“. Mokslininkams sujungus programinės įrangos ir superkompiuterio galimybes, saulės audrų efekto tyrimai tapo racionalesni. Iš esmės šie kodai yra skirtingi, tačiau vienas kitą papildo. H3D leidžia mokslininkams bendrą vaizdą matyti geriau, tuo tarpu VPIC tarnauja kaip didinamasis stiklas, identifikuojantis smulkias, bet svarbias detales. „Mūsų sukurti kodai išnaudoja visą Jaguar kompiuterio galią. Tačiau kai rinką pasieks greitesni kietieji diskai, tik tada mūsų programinė įranga bus pilnai išnaudota,“ – teigė mokslininkai. Mokslininkai pabrėžia, kad netgi su šios dienos galingiausiais ir greičiausias kompiuteriais, tyrėjai negali sumodeliuoti magnetosferos 3D vaizdo, kuriame būtų visos jonų ir elektronų dalelės. Mokslų centrai jau testuoja naują superkompiuterį „Titan“ (Jaguar atmainą), kuris galės išvystyti 10-20 petaflopų greitį. Tai reiškia, kad kosmoso fizikai greitu metu turės galimybę pasinaudoti daug galingesnėmis sistemomis ir sugeneruoti aukštesnės kokybės kosmoso oro poveikio žemės magnetosferai vaizdus.

Parengė: Martynas Vaičekauskas

Facebook komentarai: