Суперкомпьютер моделирует попадание метеорита в атмосферу

В космосе почти всегда есть пыль. Большая часть этой пыли настолько мала, что даже микроскопу ее трудно разглядеть. Созданные ударами астероидов миллионы этих мелких частиц пыли каждую секунду сталкиваются с верхними слоями атмосферы Земли. Когда они попадают в эту атмосферу, они начинают сложный танец плазмы и энергии, который бывает трудно увидеть и понять.

Моделирование этого сложного танца позволило бы ученым понять, что именно происходит в верхних слоях атмосферы. Тем не менее, до сих пор сложности танца мешали попыткам моделировать их. Группа, состоящая из членов Университета Джона Хопкинса и Бостонского университета, использовала суперкомпьютер Stampede2 в Техасском университете для моделирования того, что именно происходит с метеорами, когда они попадают в ночное небо.

То, что с ними происходит, может быть трудно увидеть невооруженным глазом. Частицы пыли освещают небо, если смотреть на них в спектре радара. Когда они попадают в атмосферу, частицы проходят процесс, называемый «абляцией», где они превращаются в светящуюся плазму, создавая полосу света в небе, видимую для радарных телескопов.

Телескопы могут отслеживать, в каком направлении пришла частица и насколько она была большой, в зависимости от скорости, траектории и времени, в течение которого она светилась. Кроме того, фактические спектры самой плазмы могут дать ключ к разгадке состава самого метеора.

Эти данные содержат ключи к разгадке самих метеоров, а также состава и динамики верхних слоев атмосферы. Ученые могут отражать сигналы LIDAR от метеоров, чтобы определять температуру, плотность и скорость ветра в верхних слоях атмосферы. Кроме того, они могут отслеживать направление ветра, наблюдая, как уносится плазма, даже если вспышка длится всего долю секунды.

Но все это чрезвычайно сложно с вычислительной точки зрения, и попытка понять, что видят ученые, потребовала бы модели, с которой можно было бы сравнивать. Вот тут-то и пригодится новое исследование. В исследовании, опубликованном в Journal of Geophysical Research, использовался суперкомпьютер Stampede2 компании Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) для моделирования трех различных типов моделирования, которые используются в модели метеоров.

Эти модели в основном сосредоточены на взрывах, которые, как известно, сложно смоделировать, особенно для разнородных объектов, таких как метеоры. Как и все инженерные проблемы, доктор Меерс Оппенгейм, соавтор статьи, попытался разбить ее на более простые шаги. Первым из них было моделирование молекулярной динамики распада метеора. Другими словами, как смоделировать то, что произошло с отдельными метеорными атомами, когда они столкнулись с молекулами воздуха, летя со скоростью более 50 километров в секунду.

После этого первого контакта следующая симуляция фокусируется на том, что происходит рядом с молекулами. В частности, он пытается имитировать, куда они летят, с какой скоростью, когда/если они станут плазмообразующими. Третья симуляция использует виртуальную форму для изучения плазмы, чтобы имитировать то, что увидят реальные радиолокационные системы.

С помощью этих трех комбинированных симуляций, каждое из которых само по себе очень интенсивно с точки зрения вычислений, у доктора Оппенгейма и его сотрудников есть то, что, по их мнению, является рабочей моделью взаимодействия метеоров с верхними слоями атмосферы. Такая модель может привести к проверке предположений или оценок, которые ранее были недоказанными, и в конечном итоге может привести к значительному и углубленному пониманию физики верхних слоев атмосферы. Независимо от их знаний о лежащих в основе процессов, ученые будут следить за непрерывным дождем пыли, на всякий случай, если им удастся увидеть что-то, что проходит через стадию плазменного шара.