Las simulaciones avanzadas de HLRS ofrecen una visión sin precedentes de los fenómenos espaciales

10 de octubre de 2023 – Con el desarrollo de cohetes reutilizables y satélites más pequeños y más baratos, la industria espacial está en auge. Como consecuencia de ello, la sociedad depende cada vez más de los satélites para funciones críticas como las comunicaciones y la navegación. Por lo tanto, garantizar que los satélites sigan siendo seguros en el espacio no es sólo una cuestión de proteger las inversiones, sino también de garantizar que la vida humana en la Tierra se desarrolle sin problemas.

Lamentablemente, sin embargo, los científicos todavía no tienen una comprensión satisfactoria de fenómenos importantes en el espacio cercano a la Tierra que afectan el funcionamiento de los satélites. La dinámica del viento solar a medida que se acerca a la Tierra, por ejemplo, puede causar estragos en los satélites en órbita y, a pesar de muchas décadas de investigación, ha sido un desafío desarrollar modelos detallados de tales condiciones. Los obstáculos incluyen el hecho de que el espacio es obviamente mucho más grande que cualquier cosa que se encuentre en la Tierra, el clima espacial es físicamente más complejo que el clima terrestre y existen límites en la cantidad de satélites que se pueden lanzar al espacio para recopilar datos de observación. En el futuro, a los científicos les gustaría poder predecir el tiempo en el espacio tan bien como lo hacen en la Tierra. Sin embargo, para que esto sea posible, ahora se necesita la simulación de la física espacial utilizando supercomputadores, ya que ofrece los mejores métodos disponibles para investigar muchas cuestiones abiertas.

Durante más de 10 años, la Dra. Minna Palmroth, profesora del Grupo de Investigación de Física Espacial de la Universidad de Helsinki, ha liderado el desarrollo de un modelo llamado Vlasiator que tiene el potencial de mejorar la comprensión de los científicos sobre la magnetosfera, la región que rodea la Tierra en la que el campo electromagnético del planeta interactúa con el viento solar. Usando varias generaciones de supercomputadoras en HLRS (Ermitaño, Hazel Hen y ahora Hawk) ella y su equipo han estado mejorando las capacidades de Vlasiator para que ahora proporcione un modelo global de seis dimensiones del espacio cercano a la Tierra. En lo que ella considera la culminación de su carrera hasta ahora, un publicación reciente en la revista Nature Geoscience demuestra que Vlasiator puede proporcionar información única sobre fenómenos que han sido imposibles de estudiar utilizando otros métodos de simulación.

Vlasiator reduce la aproximación en el modelado de partículas

Los físicos han estado utilizando computadoras para simular las condiciones en el espacio cercano a la Tierra desde la década de 1970, pero los algoritmos existentes no han tenido más remedio que aproximarse a algunas de sus características más importantes. En magnetohidrodinámica (MHD), un enfoque establecido para simular la magnetosfera, los códigos contienen la suposición incorporada de que las velocidades de las partículas en el espacio se distribuyen de la misma manera que en la Tierra; es decir, siguiendo una distribución normal. En el mundo terrestre, muchas partículas en un cubo tridimensional dado se agrupan alrededor de una velocidad promedio, con un número relativamente pequeño de valores atípicos que tienen una velocidad muy baja o muy alta. Como la temperatura es el resultado del movimiento de partículas, esta distribución proporciona una buena representación de la temperatura del aire en el cubo.

Un problema de la física espacial reconocido desde hace mucho tiempo es que las velocidades de los protones en el espacio no siguen una distribución normal, sino que son mucho más variables. Sin embargo, tener en cuenta el comportamiento real de los protones dentro de los códigos MHD requeriría cantidades prohibitivamente grandes de potencia informática. Esto significa que los modeladores del espacio no han tenido más remedio que tratar las partículas en el espacio de la misma manera que las partículas en la Tierra.

Para la Dra. Palmroth y sus colegas, las mejoras en el desarrollo de algoritmos y la llegada de supercomputadoras más potentes como las de HLRS ofrecen la oportunidad de desarrollar un modelo que no requiera este compromiso. “Al ejecutar Vlasiator en HLRS, utilizamos un enfoque diferente que nos permite modelar todos los fenómenos relacionados con protones en el espacio cercano a la Tierra tal como son, basándose en principios físicos fundamentales, sin necesidad de aproximarnos”, dice.

Para producir simulaciones globales de la magnetosfera y la ionosfera de la Tierra, Vlasiator considera seis dimensiones diferentes: tres dimensiones espaciales más tres dimensiones que cuantifican las distribuciones de partículas. El código no modela el movimiento de partículas individuales, sino que proporciona una representación muy precisa de cómo cambia la distribución de protones en el espacio y el tiempo. (El enfoque matemático que utilizan se llama ecuación de Vlasov). “La forma de la distribución de las partículas es crucial en muchos misterios de décadas de antigüedad que no han sido resueltos”, explica Palmroth. “Al centrarse en este tema, Vlasiator puede revelar procesos que no habían sido visibles antes”. Esta capacidad ha hecho posible que su equipo abra nuevas ventanas para estudiar la física espacial.

La simulación explica las erupciones de plasma terrestre

Uno de los fenómenos más impredecibles que tiene lugar dentro de la magnetosfera se llama subtormenta. Aquí, las interacciones entre el viento solar y el campo electromagnético de la Tierra conducen a una acumulación y expulsión repentina de plasma llamado plasmoide en la cola magnética, la parte de la magnetosfera en el lado nocturno de la Tierra. Desde la superficie de la Tierra, estas eyecciones son visibles como auroras especialmente espectaculares, pero también pueden dañar los satélites o interferir con su funcionamiento.

Aunque ha habido intentos de explicar las subtormentas, sus causas han sido poco comprendidas. Una posible explicación, llamada reconexión magnética, sugiere que los cambios en el campo electromagnético en la cola magnética cortan parte de la magnetosfera, que se libera como un plasmoide. Otra, llamada inestabilidad cinética, postula que las inestabilidades en la cola magnética producen ondas que interrumpen la corriente que sostiene la cola magnetosférica, lo que lleva a la eyección del plasmoide.

Al ejecutar Vlasiator en la supercomputadora Hawk de HLRS, Palmroth y su equipo simularon la magnetosfera a una escala capaz de revelar la física subyacente a ambas hipótesis. Sorprendentemente, sus resultados indicaron que se producen tanto reconexión magnética como inestabilidades cinéticas, pero no de la forma en que los físicos espaciales las entendían en el pasado. Su artículo en Nature Geoscience informa que la eyección de plasmoides se produce cuando plasmoides más pequeños se unifican en un plasmoide grande como resultado de una interrupción en la corriente, causada por una inestabilidad cinética.

Según Palmroth, es la naturaleza global de Vlasiator lo que hizo posibles estos novedosos hallazgos. “Vlasiator ahora incluye el viento solar ascendente, la magnetosfera y la ionosfera”, explica. “Los fenómenos plasmáticos ocurren a una escala mucho menor, pero debido a que las características globales afectan las características locales, y viceversa, se necesita un modelo global que proporcione el contexto necesario. Sin el modelo global, es imposible entender la evolución de todo el sistema al mismo tiempo”.

Al comparar los resultados de Vlasiator con los datos de observación disponibles, Palmroth descubrió que los resultados proporcionan una imagen detallada y precisa. El código les permite observar también otras características de la magnetosfera. Otros artículos recientes han informado sobre descubrimientos relacionados con la Transmisión de ondas previas a través del arco de choque de la Tierra., precipitación de protones auroralesy las propiedades de ondas pc3Por ejemplo.

Éxito a través de una asociación de largo plazo con HLRS

Palmroth recuerda que cuando propuso por primera vez la idea de crear un modelo cinético iónico global de la magnetosfera alrededor de 2004, muchos colegas le advirtieron que nunca sería práctico desde el punto de vista computacional. Sin embargo, durante el desarrollo de Vlasiator, ella siempre desarrolló código no para las arquitecturas y capacidades de los sistemas HPC actuales, sino para tecnologías HPC futuras y más potentes.

“Esta filosofía sólo funciona si colaboramos estrechamente con personas que miran hacia el futuro tecnológico”, explica. “Por eso el Centro de Computación de Alto Rendimiento de Stuttgart es uno de mis centros de computación de alto rendimiento favoritos para trabajar. HLRS tiene un conocimiento y una experiencia en HPC absolutamente exquisitos, lo cual es crucial cuando desarrollamos nuestros algoritmos. Permite un proceso de codiseño productivo”.

Además de abrir nuevos campos para el estudio de la ciencia espacial, Vlasiator también destaca por su eficiencia cuando se ejecuta en la supercomputadora Hawk de HLRS. Palmroth dice que los expertos en modelado computacional a menudo se sorprenden con el rendimiento del código, ya que escala casi linealmente cuando se ejecuta en hasta 200.000 núcleos de cómputo. Palmroth atribuye este logro a la estrecha colaboración con el personal de soporte al usuario de HLRS, quienes han brindado valiosos consejos sobre cómo gestionar cuestiones como la entrada y salida, el almacenamiento de datos y otras cuestiones técnicas necesarias para el uso óptimo de las supercomputadoras del centro. “Los expertos en HPC de HLRS establecen altos estándares en el rendimiento de las aplicaciones que nos esforzamos por implementar en la práctica”, afirma.

A medida que HPC se acerca a la exaescala, Palmroth y su equipo ven una serie de oportunidades para aumentar las capacidades de Vlasiator. En el futuro, anticipan poder mejorar la resolución de su modelo, simular períodos de tiempo físico más largos y realizar múltiples ejecuciones de la misma simulación para producir modelos aún mejores basados ​​en análisis estadísticos comparativos. Vlasiator fue diseñado originalmente para supercomputadoras basadas en procesadores CPU, por lo que el equipo también está completando una reescritura del código de Vlasiator para que sus cálculos de velocidad espacial puedan ejecutarse en aceleradores GPU. Debido a que los cálculos de velocidad toman hasta el 90% del tiempo de computación, ella estima que este esfuerzo podría permitir que el código se ejecute al menos 20 veces más rápido.

Dichos planes sugieren que a medida que la informática de alto rendimiento siga evolucionando, el Laboratorio Palmroth seguirá proporcionando nuevos conocimientos sobre el entorno que rodea nuestro hogar planetario.

Fuente: Christopher Williams, Centro de Computación de Alto Rendimiento de Stuttgart (HLRS)