"Er zijn maar twee natuurrampen die de hele VS kunnen treffen, " volgens Gabor Toth, hoogleraar Klimaat- en Ruimtewetenschappen en Engineering aan de Universiteit van Michigan. "De ene is een pandemie en de andere is een extreem ruimteweergebeurtenis."

We zien momenteel de effecten van de eerste in realtime.

De laatste grote ruimteweergebeurtenis trof de aarde in 1859. Kleiner, maar toch belangrijk, ruimteweergebeurtenissen komen regelmatig voor. Deze bak elektronica en elektriciteitsnetten, wereldwijde positioneringssystemen verstoren, verschuivingen veroorzaken in het bereik van de Aurora Borealis, en het risico op straling verhogen voor astronauten of passagiers van vliegtuigen die over de polen vliegen.

"We hebben al deze technologische activa die gevaar lopen, "Zei Toth. "Als een extreme gebeurtenis zoals die in 1859 opnieuw zou plaatsvinden, het zou het elektriciteitsnet en de satelliet- en communicatiesystemen volledig vernietigen - de inzet is veel hoger."

Gemotiveerd door de National Space Weather Strategy and Action Plan van het Witte Huis en het National Strategic Computing Initiative, in 2020 hebben de National Science Foundation (NSF) en NASA het programma Space Weather with Quantified Uncertainties (SWQU) opgezet. Het brengt onderzoeksteams uit verschillende wetenschappelijke disciplines samen om de nieuwste statistische analyse en krachtige computermethoden op het gebied van ruimteweermodellering te bevorderen.

"We zijn erg trots dat we de SWQU-projecten hebben gelanceerd door expertise en ondersteuning in meerdere wetenschappelijke domeinen samen te brengen in een gezamenlijke inspanning van NSF en NASA, " zei Vyacheslav (Slava) Lukin, de programmadirecteur voor plasmafysica bij NSF. "De behoefte wordt al enige tijd erkend, en de portefeuille van zes projecten, Gabor Toth is onder hen, betrekt niet alleen de toonaangevende universitaire groepen, maar ook NASA-centra, Ministerie van Defensie en Ministerie van Energie Nationale Laboratoria, evenals de particuliere sector."

Toth hielp bij het ontwikkelen van het meest vooraanstaande ruimteweervoorspellingsmodel van vandaag, die wordt gebruikt voor operationele prognoses door de National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). Op 3 februari, 2021, NOAA begon het Geospace-model versie 2.0 te gebruiken, dat deel uitmaakt van het Space Weather Modeling Framework van de University of Michigan, geomagnetische storingen te voorspellen.

"We verbeteren onze modellen voortdurend, " zei Toth. Het nieuwe model vervangt versie 1.5, die sinds november 2017 in bedrijf is. "De belangrijkste verandering in versie 2 was de verfijning van het numerieke raster in de magnetosfeer, verschillende verbeteringen in de algoritmen, en een herijking van de empirische parameters."

Het Geospace-model is gebaseerd op een globale weergave van de geo-ruimtelijke omgeving van de aarde die magnetohydrodynamica omvat - de eigenschappen en het gedrag van elektrisch geleidende vloeistoffen zoals plasma die in wisselwerking staan ​​met magnetische velden, die een sleutelrol speelt in de dynamiek van het ruimteweer.

Het Geospace Model voorspelt magnetische verstoringen op de grond als gevolg van geospace-interacties met zonnewind. Dergelijke magnetische storingen veroorzaken een geo-elektrisch veld dat grootschalige elektrische geleiders kan beschadigen, zoals het elektriciteitsnet.

Geavanceerde waarschuwing op korte termijn van het model biedt voorspellers en elektriciteitsnetbeheerders situationeel bewustzijn over schadelijke stromen en geeft tijd om het probleem te verminderen en de integriteit van het elektriciteitsnet te behouden, NOAA maakte dit bekend bij de lancering.

Hoe geavanceerd het Geospace-model ook is, het biedt slechts ongeveer 30 minuten geavanceerde waarschuwing. Het team van Toth is een van de vele groepen die werken om de doorlooptijd te verlengen tot één tot drie dagen. Dit betekent begrijpen hoe activiteit op het oppervlak van de zon leidt tot gebeurtenissen die invloed kunnen hebben op de aarde.

"We gebruiken momenteel gegevens van een satelliet die plasmaparameters meet op een miljoen mijl afstand van de aarde, " legde Toth uit. Onderzoekers hopen vanaf de zon te beginnen, met behulp van observatie op afstand van het oppervlak van de zon, in het bijzonder, coronale massa-ejecties die uitbarstingen produceren die zichtbaar zijn in röntgenstralen en UV-licht. "Dat gebeurt vroeg op de zon. Vanaf dat moment, we kunnen een model draaien en de aankomsttijd en impact van magnetische gebeurtenissen voorspellen."

Om de doorlooptijd van weersvoorspellingen in de ruimte te verbeteren, zijn nieuwe methoden en algoritmen nodig die veel sneller kunnen rekenen dan de huidige en die efficiënt kunnen worden ingezet op krachtige computers. Toth gebruikt de Frontera-supercomputer in het Texas Advanced Computing Center - het snelste academische systeem ter wereld en het op tien na krachtigste in het algemeen - om deze nieuwe methoden te ontwikkelen en te testen.

"Ik beschouw mezelf heel goed in het ontwikkelen van nieuwe algoritmen, " zei Toth. "Ik pas deze toe op de ruimtefysica, maar veel van de algoritmen die ik ontwikkel zijn algemener en niet beperkt tot één toepassing."

Een belangrijke algoritmische verbetering van Toth was het vinden van een nieuwe manier om de kinetische en vloeibare aspecten van plasma's in één simulatiemodel te combineren. "Mensen hebben het eerder geprobeerd en faalden. Maar we hebben het laten werken. We gaan een miljoen keer sneller dan brute-force-simulaties door slimme benaderingen en algoritmen uit te vinden, ' zei Toth.

Het nieuwe algoritme past dynamisch de locatie aan die door het kinetische model wordt bestreken op basis van de simulatieresultaten. Het model identificeert de interessegebieden en plaatst het kinetische model en de computationele middelen om daarop te focussen. Dit kan resulteren in een tijdsversnelling van 10 tot 100 voor ruimteweermodellen.

Als onderdeel van het NSF SWQU-project, Toth en zijn team hebben eraan gewerkt om het Space Weather Modeling Framework efficiënt te laten werken op toekomstige supercomputers die sterk afhankelijk zijn van grafische verwerkingseenheden (GPU's). Als eerste doelpunt ze wilden het Geospace-model naar GPU's porten met behulp van de NVIDIA Fortran-compiler met OpenACC-richtlijnen.

Ze zijn er onlangs in geslaagd om het volledige Geospace-model sneller dan realtime op een enkele GPU te laten draaien. Ze gebruikten TACC's GPU-enabled Longhorn-machine om deze mijlpaal te bereiken. Om het model met dezelfde snelheid op een traditionele supercomputer te laten draaien, zijn minimaal 100 CPU-kernen nodig.

"Het kostte een heel jaar van code-ontwikkeling om dit voor elkaar te krijgen, zei Toth. "Het doel is om snel en efficiënt een ensemble van simulaties uit te voeren om een ​​probabilistische ruimteweersvoorspelling te bieden."

Dit soort probabilistische voorspellingen is belangrijk voor een ander aspect van Toth's onderzoek:het lokaliseren van voorspellingen in termen van de impact op het aardoppervlak.

"Moeten we ons zorgen maken in Michigan of alleen in Canada? Wat is de maximale geïnduceerde stroom die bepaalde transformatoren zullen ervaren? Hoe lang moeten generatoren worden uitgeschakeld? Om dit nauwkeurig te doen, je hebt een model nodig waarin je gelooft, "zei hij. "Wat we ook voorspellen, er is altijd wat onzekerheid. We willen voorspellingen geven met precieze waarschijnlijkheden, vergelijkbaar met aardse weersvoorspellingen."

Toth en zijn team voeren hun code parallel uit op duizenden cores op Frontera voor elke simulatie. Ze zijn van plan om de komende jaren duizenden simulaties uit te voeren om te zien hoe modelparameters de resultaten beïnvloeden om de beste modelparameters te vinden en om waarschijnlijkheden aan simulatieresultaten te kunnen koppelen.

"Zonder Frontera, Ik denk niet dat we dit onderzoek zouden kunnen doen, "Zei Toth. "Als je slimme mensen en grote computers samenvoegt, grote dingen kunnen gebeuren."

Het Michigan zon-naar-aarde-model, inclusief de SWMF Geospace en de nieuwe GPU-poort, is beschikbaar als open source op https://github.com/MSTEM-QUDA.