Внутренние тайны планет и звезд

Леонид Гляделов

Трехмерная рендеринг показывает смоделированную солнечную конвекцию, реализованную с разными скоростями вращения. Регионы восходящего и нисходящего потоков отображаются соответственно красным и синим. Поскольку вращательное влияние возрастает от левого (невращающегося) вправо (быстро вращающегося), конвективные структуры становятся все более организованными и удлиненными. Понимание положения Солнца вдоль этого спектра представляет собой важный шаг к пониманию того, как он поддерживает магнитное поле.

После пятилетнего путешествия на 1,74 миллиарда миль космический корабль «Юнона» НАСА, отправился на орбиту Юпитера в июле 2016 года, чтобы начать свою миссию по сбору данных о структуре, атмосфере, магнитных и гравитационных полях таинственной планеты.

Для геофизика Лос-Анджелеса Джонатана Аурну не могло быть времени намного лучше.

Тогда, когда Юнона достигла своей цели, Aurnou и его коллеги из Computational Infrastructure for Geodynamics (CIG) начали массовое трехмерное моделирование в Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), в министерстве энергетики США (DOE) User Facility, чтобы исследовать и прогнозировать турбулентные внутренние процессы, которые создаёт интенсивное магнитное поле Юпитера.

Хотя время проведения двух исследований было случайным, оно дает возможность сравнить наиболее подробные наблюдения Юпитера, когда-либо записанные с симуляциями Юпитера с наивысшим разрешением.

Aurnou, возглавляющий рабочую группу CIG Geodynamo, надеется, что продвинутые модели, которые они создают с помощью суперкомпьютера Mira, будут дополнять результаты исследования NASA, чтобы показать полное понимание внутренней динамики Юпитера.«Даже с Юноной мы не сможем получить отличную физическую выборку турбулентности, происходящей в глубоких недрах Юпитера», - сказал он. «Только суперкомпьютер может помочь нам».

Aurnou и его сотрудники также используют Mira для изучения магнитных полей на Земле и солнца на беспрецедентном уровне детализации.

Генерация "Динамо"

Магнитные поля генерируются глубоко в недрах планет и звезд посредством процесса, известного как действие динамо. Это происходит, когда вращающееся конвективное движение электропроводящих жидкостей (например, жидкий металл в планетах и плазме в звездах) преобразует кинетическую энергию в магнитную энергию. Лучшее понимание динамо-процесса даст новое представление о рождении и эволюции солнечной системы и проливает свет на планетные системы, которые обнаруживаются вокруг других звезд.
Моделирование внутренней динамики Юпитера, Земли и Солнца приносит уникальные результаты, но три совершенно разных астрофизических тела действительно объединяет одно общее, имитирующее их процессы динамо, требует огромного количества вычислительной мощности.
Благодаря своему проекту в ALCF команда CIG из Aurnou начала разрабатывать и демонстрировать модели D-DIM с высоким разрешением в самых больших масштабах.

Когда проект начался в 2015 году, основной задачей команды было Солнце. Понимание солнечного динамо является ключом к прогнозированию солнечных вспышек, выбросам корональной массы и другим факторам космической погоды, которые могут влиять на производительность и надежность космических и наземных технологических систем, таких как спутниковая связь.

Имея доступ к "Мира", команда выполнила некоторые из самых сложных и самых бурных симуляций солнечной конвекции. В статье, опубликованной в « Astrophysical Journal Letters», они использовали моделирование для размещения верхних границ типичной скорости потока в зоне солнечной конвекции - ключевой параметр для понимания того, как Солнце генерирует свое маг

По словам исследователя Университета Колорадо Боулдера Ника Фезерстоуна, который возглавляет проект солнечного динамо-проекта, результаты команды были обусловлены способностью модели эффективно моделировать как вращение, так и сферическую форму Солнца, которые чрезвычайно требовательны к объединению в модель с высоким разрешением.
«Чтобы изучить зону глубокой конвекции, вам нужна сфера, - сказал Фезерстоун. «И чтобы все было правильно, оно должно вращаться».

Понимание Земли в ее ядре

Магнитные поля в планетах, таких как Земля, генерируются физическими свойствами их жидких металлических сердечников. Однако из-за ограниченной вычислительной мощности предыдущие модели динамомашин Земли были вынуждены имитировать жидкости с электропроводностью, которые намного превосходят текущие жидкие металлы.
Чтобы преодолеть эту проблему, команда CIG строит модель с высоким разрешением, которая способна имитировать металлические свойства расплавленного железного ядра Земли. Их текущее моделирование геодинамики уже показывает, что потоки и связанные магнитные структуры развиваются как в малых, так и в больших масштабах, открывая новые процессы, которые не появляются при более низких разрешениях.

«Если вы не можете имитировать реалистичный металл, у вас будут проблемы с точной турбулентностью», - сказал он. «Никто не мог позволить себе делать подобные вычисления до сих пор! Поэтому большим стимулом для нас является открытие двери для сообщества и предоставление конкретного примера того, что возможно с современными быстрыми суперкомпьютерами».

На очереди Юпитер

В случае с Юпитером, конечной целью команды является создание связанной модели, которая учитывает, как ее регион динамо, так и мощные атмосферные ветры, известные как струи. Это включает в себя разработку модели «глубокой атмосферы», в которой область струй Юпитера распространяется по всей планете и соединяется с областью динамо.Сейчас исследователи добились значительного прогресса в атмосферной модели, что позволило достичь высочайшего разрешения гигантских планет. Исследователи будут использовать моделирование Юпитера для прогнозирования поверхностных вихрей, зональных струйных течений и тепловых выбросов и сравнивать их с получаемыми данными от миссии Juno.
В конечном итоге команда планирует публиковать свои результаты для более широкого исследовательского сообщества.

«Как и космический корабль « Юнона »,« Мира » наши вычисления - уникальные и специальные инструменты. Когда мы получаем данные от этих удивительных научных инструментов, мы хотим сделать их открытыми и предоставить их всему сообществу, чтобы иметь возможность для всестороннего анализа».
После пятилетнего путешествия на 1,74 миллиарда миль космический корабль «Юнона» НАСА, отправился на орбиту Юпитера в июле 2016 года, чтобы начать свою миссию по сбору данных о структуре, атмосфере, магнитных и гравитационных полях таинственной планеты.

Для геофизика Лос-Анджелеса Джонатана Аурну не могло быть времени намного лучше.

Тогда, когда Юнона достигла своей цели, Aurnou и его коллеги из Computational Infrastructure for Geodynamics (CIG) начали массовое трехмерное моделирование в Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), в министерстве энергетики США (DOE) User Facility, чтобы исследовать и прогнозировать турбулентные внутренние процессы, которые создаёт интенсивное магнитное поле Юпитера.
Хотя время проведения двух исследований было случайным, оно дает возможность сравнить наиболее подробные наблюдения Юпитера, когда-либо записанные с симуляциями Юпитера с наивысшим разрешением.
Aurnou, возглавляющий рабочую группу CIG Geodynamo, надеется, что продвинутые модели, которые они создают с помощью суперкомпьютера Mira, будут дополнять результаты исследования NASA, чтобы показать полное понимание внутренней динамики Юпитера. «Даже с Юноной мы не сможем получить отличную физическую выборку турбулентности, происходящей в глубоких недрах Юпитера», - сказал он. «Только суперкомпьютер может помочь нам».
Aurnou и его сотрудники также используют Mira для изучения магнитных полей на Земле и солнца на беспрецедентном уровне детализации.

Генерация "Динамо"

Магнитные поля генерируются глубоко в недрах планет и звезд посредством процесса, известного как действие динамо. Это происходит, когда вращающееся конвективное движение электропроводящих жидкостей (например, жидкий металл в планетах и плазме в звездах) преобразует кинетическую энергию в магнитную энергию. Лучшее понимание динамо-процесса даст новое представление о рождении и эволюции солнечной системы и проливает свет на планетные системы, которые обнаруживаются вокруг других звезд.
Моделирование внутренней динамики Юпитера, Земли и Солнца приносит уникальные результаты, но три совершенно разных астрофизических тела действительно объединяет одно общее, имитирующее их процессы динамо, требует огромного количества вычислительной мощности.
Благодаря своему проекту в ALCF команда CIG из Aurnou начала разрабатывать и демонстрировать модели D-DIM с высоким разрешением в самых больших масштабах.

Когда проект начался в 2015 году, основной задачей команды было Солнце. Понимание солнечного динамо является ключом к прогнозированию солнечных вспышек, выбросам корональной массы и другим факторам космической погоды, которые могут влиять на производительность и надежность космических и наземных технологических систем, таких как спутниковая связь.
Имея доступ к "Мира", команда выполнила некоторые из самых сложных и самых бурных симуляций солнечной конвекции. В статье, опубликованной в « Astrophysical Journal Letters», они использовали моделирование для размещения верхних границ типичной скорости потока в зоне солнечной конвекции - ключевой параметр для понимания того, как Солнце генерирует свое магнитное поле и переносит тепло из своих глубин.

По словам исследователя Университета Колорадо Боулдера Ника Фезерстоуна, который возглавляет проект солнечного динамо-проекта, результаты команды были обусловлены способностью модели эффективно моделировать как вращение, так и сферическую форму Солнца, которые чрезвычайно требовательны к объединению в модель с высоким разрешением.
«Чтобы изучить зону глубокой конвекции, вам нужна сфера, - сказал Фезерстоун. «И чтобы все было правильно, оно должно вращаться».

Понимание Земли в ее ядре

Магнитные поля в планетах, таких как Земля, генерируются физическими свойствами их жидких металлических сердечников. Однако из-за ограниченной вычислительной мощности предыдущие модели динамомашин Земли были вынуждены имитировать жидкости с электропроводностью, которые намного превосходят текущие жидкие металлы.
Чтобы преодолеть эту проблему, команда CIG строит модель с высоким разрешением, которая способна имитировать металлические свойства расплавленного железного ядра Земли. Их текущее моделирование геодинамики уже показывает, что потоки и связанные магнитные структуры развиваются как в малых, так и в больших масштабах, открывая новые процессы, которые не появляются при более низких разрешениях.

«Если вы не можете имитировать реалистичный металл, у вас будут проблемы с точной турбулентностью», - сказал он. «Никто не мог позволить себе делать подобные вычисления до сих пор! Поэтому большим стимулом для нас является открытие двери для сообщества и предоставление конкретного примера того, что возможно с современными быстрыми суперкомпьютерами».

На очереди Юпитер

В случае с Юпитером, конечной целью команды является создание связанной модели, которая учитывает, как ее регион динамо, так и мощные атмосферные ветры, известные как струи. Это включает в себя разработку модели «глубокой атмосферы», в которой область струй Юпитера распространяется по всей планете и соединяется с областью динамо.
Сейчас исследователи добились значительного прогресса в атмосферной модели, что позволило достичь высочайшего разрешения гигантских планет. Исследователи будут использовать моделирование Юпитера для прогнозирования поверхностных вихрей, зональных струйных течений и тепловых выбросов и сравнивать их с получаемыми данными от миссии Juno.

В конечном итоге команда планирует публиковать свои результаты для более широкого исследовательского сообщества.
«Как и космический корабль « Юнона »,« Мира » наши вычисления - уникальные и специальные инструменты. Когда мы получаем данные от этих удивительных научных инструментов, мы хотим сделать их открытыми и предоставить их всему сообществу, чтобы иметь возможность для всестороннего анализа».

Похожие статьи