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    Protegiendo la tierra de las tormentas espaciales

    Corte meridional de una simulación de magnetosfera tridimensional avanzada. La Tierra está en el centro del círculo negro que es el límite interior en 2,5 radios terrestres. Las líneas blancas son líneas de campo magnético. Los colores muestran densidad. El rectángulo azul indica dónde se usa el modelo cinético, que se combina con el modelo magnetohidrodinámico global. Crédito:Chen, Yuxi y Toth, Gabor y Hietala, Heli y Vines, Sarah y Zou, Ying y Nishimura, Yukitoshi y Silveira, Marcos y Guo, Zhifang y Lin, Yu y Markidis, Stefano

    "Solo hay dos desastres naturales que podrían afectar a todo EE. UU., "según Gabor Toth, profesor de Ciencias e Ingeniería del Clima y el Espacio en la Universidad de Michigan. "Uno es una pandemia y el otro es un evento meteorológico espacial extremo".

    Actualmente estamos viendo los efectos del primero en tiempo real.

    El último gran evento meteorológico espacial golpeó la Tierra en 1859. Más pequeño, pero sigue siendo significativo, Los fenómenos meteorológicos espaciales ocurren con regularidad. Estos fritos electrónicos y redes eléctricas, interrumpir los sistemas de posicionamiento global, causar cambios en el rango de las auroras boreales, y aumentan el riesgo de radiación para los astronautas o pasajeros en aviones que cruzan los polos.

    "Tenemos todos estos activos tecnológicos que están en riesgo, "Toth dijo." Si un evento extremo como el de 1859 volviera a ocurrir, destruiría por completo la red eléctrica y los sistemas de comunicaciones y satélites; lo que está en juego es mucho mayor ".

    Motivado por la Estrategia y Plan de Acción Nacional de Clima Espacial de la Casa Blanca y la Iniciativa Nacional de Computación Estratégica, en 2020, la National Science Foundation (NSF) y la NASA crearon el programa Space Weather with Quantified Uncertainties (SWQU). Reúne equipos de investigación de todas las disciplinas científicas para avanzar en los últimos análisis estadísticos y métodos de computación de alto rendimiento dentro del campo del modelado del clima espacial.

    "Estamos muy orgullosos de haber lanzado los proyectos SWQU reuniendo experiencia y apoyo en múltiples dominios científicos en un esfuerzo conjunto entre NSF y NASA, "dijo Vyacheslav (Slava) Lukin, el Director del Programa de Física del Plasma en NSF. "La necesidad ha sido reconocida desde hace algún tiempo, y la cartera de seis proyectos, Gabor Toth está entre ellos, involucra no solo a los principales grupos universitarios, sino también los Centros de la NASA, Laboratorios Nacionales del Departamento de Defensa y del Departamento de Energía, así como el sector privado ".

    Toth ayudó a desarrollar el modelo preeminente de predicción del clima espacial actual, que se utiliza para el pronóstico operativo por la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA). El 3 de febrero 2021, NOAA comenzó a utilizar la versión 2.0 del modelo geoespacial, que es parte del marco de modelado del clima espacial de la Universidad de Michigan, para predecir perturbaciones geomagnéticas.

    "Mejoramos constantemente nuestros modelos, "Toth dijo. El nuevo modelo reemplaza la versión 1.5, que ha estado en operaciones desde noviembre de 2017. "El principal cambio en la versión 2 fue el refinamiento de la cuadrícula numérica en la magnetosfera, varias mejoras en los algoritmos, y una recalibración de los parámetros empíricos ".

    El modelo geoespacial se basa en una representación global del entorno geoespacial de la Tierra que incluye magnetohidrodinámica:las propiedades y el comportamiento de fluidos conductores de electricidad como el plasma que interactúa con campos magnéticos, que juega un papel clave en la dinámica del clima espacial.

    El modelo geoespacial predice perturbaciones magnéticas en el suelo como resultado de interacciones geoespaciales con el viento solar. Tales perturbaciones magnéticas inducen un campo geoeléctrico que puede dañar conductores eléctricos a gran escala, como la red eléctrica.

    La advertencia avanzada a corto plazo del modelo proporciona a los pronosticadores y operadores de la red eléctrica un conocimiento de la situación sobre las corrientes dañinas y les da tiempo para mitigar el problema y mantener la integridad de la red eléctrica. NOAA anunció en el momento del lanzamiento.

    Tan avanzado como es el modelo geoespacial, proporciona solo unos 30 minutos de advertencia avanzada. El equipo de Toth es uno de varios grupos que trabajan para aumentar el tiempo de entrega de uno a tres días. Hacerlo significa comprender cómo la actividad en la superficie del Sol conduce a eventos que pueden impactar la Tierra.

    "Actualmente estamos usando datos de un satélite que mide los parámetros del plasma a un millón de millas de la Tierra, "Toth explicó. Los investigadores esperan comenzar desde el Sol, utilizando la observación remota de la superficie del Sol, en particular, Eyecciones de masa coronal que producen destellos que son visibles en rayos X y luz ultravioleta. "Eso sucede temprano en el Sol. A partir de ese momento, podemos ejecutar un modelo y predecir la hora de llegada y el impacto de los eventos magnéticos ".

    Simulación del marco de modelado del clima espacial del 10 de septiembre de 2014 eyección de masa coronal durante el máximo solar. El campo magnético radial se muestra en la superficie del Sol en escala de grises. Las líneas del campo magnético en la cuerda de flujo están coloreadas con la velocidad. El fondo está coloreado con la densidad del número de electrones. Crédito:Gabor Toth, Universidad de Michigan

    Mejorar el tiempo de espera de los pronósticos del clima espacial requiere nuevos métodos y algoritmos que puedan computar mucho más rápido que los que se usan en la actualidad y se puedan implementar de manera eficiente en computadoras de alto rendimiento. Toth utiliza la supercomputadora Frontera en el Centro de Computación Avanzada de Texas, el sistema académico más rápido del mundo y el décimo más poderoso en general, para desarrollar y probar estos nuevos métodos.

    "Me considero muy bueno desarrollando nuevos algoritmos, "Toth dijo." Los aplico a la física espacial, pero muchos de los algoritmos que desarrollo son más generales y no se limitan a una sola aplicación ".

    Una mejora algorítmica clave realizada por Toth implicó encontrar una forma novedosa de combinar los aspectos cinéticos y fluidos de los plasmas en un modelo de simulación. "La gente lo intentó antes y fracasó. Pero lo hicimos funcionar. Vamos un millón de veces más rápido que las simulaciones de fuerza bruta al inventar aproximaciones y algoritmos inteligentes, "Dijo Toth.

    El nuevo algoritmo adapta dinámicamente la ubicación cubierta por el modelo cinético en función de los resultados de la simulación. El modelo identifica las regiones de interés y coloca el modelo cinético y los recursos computacionales para enfocarse en ellos. Esto puede resultar en una aceleración de 10 a 100 veces para los modelos de clima espacial.

    Como parte del proyecto NSF SWQU, Toth y su equipo han estado trabajando para hacer que el marco de modelado del clima espacial se ejecute de manera eficiente en las futuras supercomputadoras que dependen en gran medida de las unidades de procesamiento gráfico (GPU). Como primer objetivo, se propusieron portar el modelo de geoespacio a las GPU utilizando el compilador NVIDIA Fortran con directivas OpenACC.

    Recientemente, lograron ejecutar el modelo geoespacial completo más rápido que en tiempo real en una sola GPU. Usaron la máquina Longhorn con GPU de TACC para alcanzar este hito. Para ejecutar el modelo con la misma velocidad en una supercomputadora tradicional se requieren al menos 100 núcleos de CPU.

    "Se necesitó todo un año de desarrollo de código para que esto sucediera, Dijo Toth. "El objetivo es ejecutar un conjunto de simulaciones de manera rápida y eficiente para proporcionar un pronóstico meteorológico espacial probabilístico".

    Este tipo de pronóstico probabilístico es importante para otro aspecto de la investigación de Toth:localizar predicciones en términos del impacto en la superficie de la Tierra.

    "¿Deberíamos preocuparnos en Michigan o solo en Canadá? ¿Cuál es la corriente máxima inducida que experimentarán los transformadores particulares? ¿Cuánto tiempo deberán apagarse los generadores? Para hacer esto con precisión, necesitas un modelo en el que creas, ", dijo." Sea lo que sea que predigamos, siempre hay algo de incertidumbre. Queremos dar predicciones con probabilidades precisas, similar a las previsiones meteorológicas terrestres ".

    Toth y su equipo ejecutan su código en paralelo en miles de núcleos en Frontera para cada simulación. Planean ejecutar miles de simulaciones en los próximos años para ver cómo los parámetros del modelo afectan los resultados para encontrar los mejores parámetros del modelo y poder adjuntar probabilidades a los resultados de la simulación.

    "Sin Frontera, No creo que podamos hacer esta investigación "Toth dijo." Cuando se juntan personas inteligentes y grandes computadoras, pueden suceder grandes cosas ".

    El modelo sol-tierra de Michigan, incluido el SWMF Geospace y el nuevo puerto GPU, está disponible como código abierto en https://github.com/MSTEM-QUDA.


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