In de hemel daarboven regent het vuil.

Elke seconde raken miljoenen stukjes vuil die kleiner zijn dan een zandkorrel de bovenste atmosfeer van de aarde. Op ongeveer 100 kilometer hoogte razen stofdeeltjes, voornamelijk puin van asteroïdebotsingen, door de lucht en verdampen ze 10 tot 100 keer de snelheid van een kogel. De grotere kunnen strepen in de lucht maken, meteoren die ons de adem benemen.

Wetenschappers gebruiken supercomputers om te begrijpen hoe minuscule meteoren, onzichtbaar voor het blote oog, elektronen vrijmaken die kunnen worden gedetecteerd door radar en die de snelheid, richting en snelheid van meteoorvertraging met hoge precisie kunnen karakteriseren, waardoor de oorsprong kan worden bepaald. Omdat dit vallende ruimtestof helpt bij het zaaien van regenwolken, zal dit basisonderzoek naar meteoren wetenschappers helpen de chemie van de atmosfeer van de aarde beter te begrijpen. Bovendien helpt de samenstelling van meteoren astronomen om de ruimteomgeving van ons zonnestelsel te karakteriseren.

Meteoren spelen een belangrijke rol in de wetenschap van de bovenste atmosfeer, niet alleen voor de aarde, maar ook voor andere planeten. Ze stellen wetenschappers in staat om te diagnosticeren wat er in de lucht is met behulp van gepulseerde laser remote sensing lidar, die weerkaatst tegen meteoorstof om de temperatuur, dichtheid en de winden van de bovenste atmosfeer te onthullen.

Wetenschappers volgen ook met radar het plasma dat door meteoren wordt gegenereerd, en bepalen hoe snel de wind in de bovenste atmosfeer beweegt door hoe snel het plasma wordt rondgeduwd. Het is een regio die onmogelijk te bestuderen is met satellieten, omdat de atmosferische weerstand op deze hoogten ervoor zorgt dat het ruimtevaartuig opnieuw de atmosfeer binnengaat.

Het meteorenonderzoek is in juni 2021 gepubliceerd in het Journal of Geophysical Research:Space Physics van de American Geophysical Society.

Daarin ontwikkelde hoofdauteur Glenn Sugar van de Johns Hopkins University computersimulaties om de fysica te modelleren van wat er gebeurt als een meteoor de atmosfeer raakt. De meteoor warmt op en werpt materiaal af met hypersonische snelheden in een proces dat ablatie wordt genoemd. Het afgeworpen materiaal botst tegen atmosferische moleculen en verandert in gloeiend plasma.

"Wat we proberen te doen met de simulaties van de meteoren is het nabootsen van dat zeer complexe proces van ablatie, om te zien of we de fysica begrijpen die gaande is; en om ook het vermogen te ontwikkelen om observaties met hoge resolutie van meteoren, voornamelijk radar, te interpreteren waarnemingen van meteoren", zegt co-auteur Meers Oppenheim, hoogleraar astronomie aan de Boston University.

Grote radarschotels, zoals de iconische maar inmiddels ter ziele gegane Arecibo-radartelescoop, hebben meerdere meteoren per seconde vastgelegd in een klein stukje lucht. Volgens Oppenheim betekent dit dat de aarde elke seconde wordt geraakt door miljoenen en miljoenen meteoren.

"Het interpreteren van die metingen was lastig", zei hij. "Weten waar we naar kijken als we deze metingen zien, is niet zo gemakkelijk te begrijpen."

De simulaties in de krant vormen in feite een doos die een stuk atmosfeer voorstelt. In het midden van de doos is een kleine meteoor geplaatst die atomen uitspuwt. De deeltjes-in-cel, eindige-verschil tijdsdomeinsimulaties werden gebruikt om dichtheidsverdelingen te genereren van het plasma dat wordt gegenereerd door meteooratomen wanneer hun elektronen worden verwijderd bij botsingen met luchtmoleculen.

"Radars zijn erg gevoelig voor vrije elektronen", legt Oppenheim uit. "Je maakt een groot, kegelvormig plasma dat zich direct voor de meteoroïde ontwikkelt en vervolgens achter de meteoroïde wordt weggevaagd. Dat is dan wat de radar waarneemt. We willen van wat de radar heeft waargenomen terug kunnen gaan naar hoe groot die meteoroïde is. De simulaties stellen ons in staat om dat te reverse-engineeren."

Het doel is om te kunnen kijken naar de signaalsterkte van radarwaarnemingen en om fysieke kenmerken van de meteoor te krijgen, zoals grootte en samenstelling.

"Tot nu toe hebben we daar alleen zeer ruwe schattingen van gehad. Dankzij de simulaties kunnen we verder gaan dan de eenvoudige ruwe schattingen," zei Oppenheim.

"Analytische theorie werkt heel goed als je kunt zeggen:'Oké, dit ene fenomeen doet zich voor, onafhankelijk van deze andere verschijnselen.' Maar als het allemaal tegelijk gebeurt, wordt het zo rommelig. Simulaties worden het beste hulpmiddel", zei Oppenheim.

Oppenheim kreeg supercomputertijd van de Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) op de Stampede2-supercomputer van TACC voor de meteoorsimulaties.

"Nu zijn we echt in staat om de kracht van Stampede2 - deze gigantische supercomputers - te gebruiken om meteoorablatie in ongelooflijk detail te evalueren", zei Oppenheim. "XSEDE heeft dit onderzoek mogelijk gemaakt door het voor mij, de studenten en onderzoeksmedewerkers gemakkelijk te maken om te profiteren van de supercomputers."

"De systemen worden goed beheerd", voegde hij eraan toe. "We gebruiken veel wiskundige pakketten en pakketten voor gegevensopslag. Ze zijn allemaal voorgecompileerd en klaar voor gebruik op XSEDE. Ze hebben ook goede documentatie. En het personeel van XSEDE was erg goed. Als we een knelpunt of hindernis tegenkomen , ze zijn erg behulpzaam. Het was een geweldige aanwinst om te hebben."

Astronomen zijn met grote sprongen verder dan waar ze 20 jaar geleden waren in termen van het modelleren van meteoorablatie. Oppenheim verwees naar een onderzoek uit 2020 onder leiding van de niet-gegradueerde Gabrielle Guttormsen van de Boston University, dat de ablatie van kleine meteoren simuleert om te zien hoe snel het opwarmt en hoeveel materiaal er wegborrelt.

Meteoorablatiefysica is heel moeilijk uit te voeren met pen- en papierberekeningen, omdat meteoren ongelooflijk inhomogeen zijn, zei Oppenheim. "Je modelleert in wezen explosies. Al deze fysica gebeurt in milliseconden, honderden milliseconden voor de grotere, en voor de bolides, de gigantische vuurballen die een paar seconden kunnen duren, we hebben het over seconden. Het zijn explosieve gebeurtenissen ."

Het team van Oppenheim modelleert ablatie helemaal vanaf picoseconden, wat de tijdschaal is van de meteoor die uiteenvalt en de atomen die op elkaar inwerken wanneer de luchtmoleculen erop botsen. De meteoren reizen vaak met woeste snelheden van 50 kilometer per seconde of zelfs tot 70 kilometer per seconde.

Oppenheim schetste drie verschillende soorten simulaties die hij uitvoert om het meteoorablatieprobleem aan te pakken. Ten eerste gebruikt hij moleculaire dynamica, waarbij naar individuele atomen wordt gekeken terwijl de luchtmoleculen met een tijdsresolutie van picoseconden tegen de kleine deeltjes botsen.

Vervolgens gebruikt hij een andere simulator om te kijken wat er gebeurt als die moleculen dan wegvliegen, en dan slaan de onafhankelijke moleculen in de luchtmoleculen en worden een plasma met elektromagnetische straling. Ten slotte neemt hij dat plasma en lanceert er een virtuele radar op, luisterend naar de echo's daar.

Tot nu toe heeft hij deze drie simulaties niet kunnen combineren tot één. Het is wat hij beschrijft als een 'stijf probleem', met te veel tijdschalen voor de huidige technologie om één zelfconsistente simulatie aan te kunnen.

Oppenheim zei dat hij van plan is om supercomputertijd aan te vragen op de door TACC gefinancierde Frontera-supercomputer, de snelste academische supercomputer ter wereld. "Stampede2 is goed voor veel kleinere testruns, maar als je iets heel groots hebt, is Frontera daarvoor bedoeld," zei hij.

Oppenheim zei:"Supercomputers geven wetenschappers de kracht om de echte fysieke processen in detail te onderzoeken, niet vereenvoudigde speelgoedmodellen. Ze zijn uiteindelijk een hulpmiddel om ideeën numeriek te testen en tot een beter begrip te komen van de aard van meteoorfysica en alles in het universum ."