Национальный научный фонд награждает разработку по моделированию космической погоды.
В безлунную ночь 28 августа 1859 года небо начало кровоточить. Явление за северным сиянием приобрело глобальный характер: яркое сияние радуги пальцами простиралось через часовые пояса и континенты, освещая ночное небо волнообразным малиновым фоном. От Новой Англии до Австралии люди стояли на улицах и смотрели с восхищением, вдохновением и страхом, пока ночное небо переливалась яркими цветами. Но за красивую картинку пришлось заплатить. Глобальная телеграфная система, которая в то время обеспечивала почти всю междугородную связь, была сильно разрушена. Некоторые телеграфисты подвергались поражению электрическим током при отправке и получении сообщений; другие стали свидетелями искр, летящих с кабельных опор. Телеграфная передача была приостановлена на несколько дней.
Полярное сияние и последовавшие за этим разрушения были позже приписаны геомагнитной буре, вызванной серией корональных выбросов массы (CME), которые вырвались с поверхности Солнца, промчались через Солнечную систему и обрушили нашу атмосферу магнитной солнечной энергией, нанеся ущерб электричеству, питавшему телеграфную систему. Хотя мы больше не полагаемся на глобальную телеграфную систему, чтобы оставаться на связи во всем мире, геомагнитная буря аналогичного масштаба в современном мире все равно станет катастрофой. Такой шторм может вызвать отключение электроэнергии во всем мире, массовые сбои сети и повсеместное повреждение спутников, обеспечивающих работу GPS и телекоммуникаций, не говоря уже о потенциальной угрозе для здоровья человека из-за повышенного уровня радиации. В отличие от земных бурь, приход и интенсивность солнечных бурь трудно предсказать. Без лучшего понимания космической погоды мы можем даже не увидеть приближение следующей сильной солнечной бури, пока не станет слишком поздно.
Чтобы улучшить нашу способность прогнозировать космическую погоду, как мы это делаем на Земле, Ричард Линарес, доцент кафедры аэронавтики и астронавтики (AeroAstro) Массачусетского технологического института, возглавляет многопрофильную группу исследователей для разработки программного обеспечения, которое сможет эффективно решить эту проблему. Мы можем использовать исторические данные наблюдений для более точного прогнозирования воздействия космических погодных явлений, таких как CME, солнечный ветер и других явлений космической плазмы, когда они взаимодействуют с нашей атмосферой. В рамках программы Space Weather with Quantified Uncertainties (SWQU), партнерства между Национальным научным фондом США (NSF) и NASA, команда получила грант в размере 3 миллионов долларов за свое предложение «Составная программная среда нового поколения».
«Объединив экспертов в области геокосмических наук, количественной оценки неопределенности, разработки программного обеспечения, управления и устойчивого развития, мы надеемся разработать программное обеспечение для моделирования и прогнозирования космической погоды», - говорит Линарес. «Улучшение прогнозов космической погоды - это национальная потребность, и мы увидели в Массачусетском технологическом институте уникальную возможность объединить опыт, накопленный на территории кампуса, для решения этой проблемы».
Среди сотрудников Массачусетского технологического института Линареса - Филип Эриксон, помощник директора обсерватории Хейстек Массачусетского технологического института и глава группы атмосферных и геокосмических наук Хейстака; Хайме Перайр, профессор аэронавтики и астронавтики Х.Н.Слейтера; Юсеф Марзук, профессор аэронавтики и космонавтики; Нгок Куонг Нгуен, научный сотрудник «АэроАстро»; Алан Эдельман, профессор прикладной математики; и Кристофер Рацкаукас, преподаватель кафедры математики. Внешние сотрудники включают Аарона Ридли (Мичиганский университет) и Бориса Крамера (Калифорнийский университет в Сан-Диего). Вместе команда сосредоточится на устранении этого пробела путем создания составной программной среды, ориентированной на модели, которая позволяет использовать широкий спектр данных наблюдений, собранных по всему миру, в глобальную модель системы ионосфера/термосфера.
«Исследовательские программы MIT Haystack сосредоточены на условиях околоземного космического пространства, а наша распределенная онлайн-база данных Madrigal, спонсируемая NSF, обеспечивает крупнейшее единое хранилище наземных данных сообщества о космической погоде и ее влиянии на атмосферу с использованием всемирных научных наблюдений. Эти обширные данные включают в себя информацию дистанционного зондирования ионосферы по общему содержанию электронов (TEC), охватывающую весь земной шар на почти непрерывной основе и рассчитываемую по сетям из тысяч индивидуальных приемников глобальных навигационных спутниковых систем », - говорит Эриксон. «Данные TEC, когда они анализируются совместно с результатами систем моделирования атмосферы и магнитосферы следующего поколения, представляют собой ключевую будущую инновацию, которая значительно улучшит понимание людьми критически важных эффектов космической погоды».
Проект направлен на создание мощной и гибкой программной платформы с использованием передовых вычислительных инструментов для сбора и анализа огромных наборов данных наблюдений, которые можно легко распространять и воспроизводить среди исследователей. Платформа также будет спроектирована так, чтобы работать даже в условиях быстрого развития компьютерных технологий и новых исследователей, которые вносят свой вклад в проект из новых мест, используя усовершенствованные машины. Используя Julia, высокопроизводительный язык программирования, разработанный Эдельманом в Массачусетском технологическом институте, исследователи со всего мира смогут адаптировать программное обеспечение для своих собственных целей, чтобы предоставлять свои данные без необходимости переписывать программу с нуля.
«Я очень рад, что Julia, которая уже быстро стала языком научного машинного обучения и отличным инструментом для программного обеспечения для совместной работы, может сыграть ключевую роль в приложениях для космической погоды», - говорит Эдельман.
По словам Линареса, составная программная структура будет служить основой, которую можно будет расширять и улучшать со временем, увеличивая как возможности прогнозирования космической погоды, так и само сообщество моделирования космической погоды.
Проект под руководством Массачусетского технологического института был одним из шести проектов, отобранных для присуждения трехлетних грантов в рамках программы SWQU. Цель программы SWQU, мотивированной Национальной стратегией и планом действий Белого дома по космической погоде и Национальной стратегической вычислительной инициативой, состоит в том, чтобы объединить команды из разных научных дисциплин для продвижения новейших статистических методов анализа и высокопроизводительных вычислений в области моделирования космической погоды.
«Одной из ключевых целей программы SWQU является разработка устойчивого программного обеспечения со встроенными возможностями для оценки вероятности и величины электромагнитных геокосмических явлений на основе разреженных данных наблюдений», - говорит Вячеслав Лукин, директор программы NSF в Отделе физики. «Мы с нетерпением ждем, когда многопрофильная команда под руководством Массачусетского технологического института заложит основы для такого развития, чтобы обеспечить успехи, которые преобразят наши будущие возможности прогнозирования космической погоды».