由德克萨斯州高级计算中心Jorge Salazar制作
XSEDE踩踏2模拟有助于揭示流星撞击大气层时发生的物理现象
信用:抄送-SA 4
0(亚采克·哈利茨基) 在上面的天空中，下着泥土雨
每秒钟，数百万比一粒沙子还小的灰尘撞击地球高层大气
在大约100公里的高度，小行星碰撞产生的主要是碎片的尘埃，以子弹速度的10到100倍在空中蒸发
更大的流星会在天空中留下条纹，让我们惊叹不已
科学家们正在使用超级计算机来帮助理解肉眼看不见的微小流星是如何释放电子的，这些电子可以被雷达探测到，并且可以高精度地表征流星减速的速度、方向和速度，从而确定其来源
因为这些落下的太空尘埃有助于制造降雨的云层，所以对流星的基础研究将有助于科学家更全面地了解地球大气的化学成分
此外，流星的组成有助于天文学家描述我们太阳系的空间环境
流星在高层大气科学中发挥着重要作用，不仅对地球如此，对其他行星也是如此
它们使科学家能够使用脉冲激光遥感激光雷达诊断空气中的物质，激光雷达反射流星尘埃，揭示高层大气的温度、密度和风向
科学家们还用雷达跟踪流星产生的等离子体，通过等离子体被推动的速度来确定风在高层大气中移动的速度
这是一个不可能用卫星研究的区域，因为这些高度的大气阻力会导致航天器重新进入大气层
流星研究于2021年6月发表在《地球物理研究杂志:美国地球物理学会空间物理学》上
在这篇文章中，主要作者约翰·霍普金斯大学的格伦·苏格开发了计算机模拟来模拟流星撞击大气层时发生的物理现象
流星在一个叫做消融的过程中以高超音速升温并脱落物质
脱落的物质分解成大气分子，变成发光的等离子体
“我们试图通过模拟流星来模拟非常复杂的消融过程，看看我们是否理解正在发生的物理现象；并且发展解释高分辨率流星观测的能力，主要是对流星的雷达观测，”该研究的合著者、波士顿大学天文学教授米尔斯·奥本海默说
大型雷达天线，如标志性的但现已停止使用的阿雷西博雷达望远镜，在一小片天空中每秒记录了多颗流星
根据奥本海默的说法，这意味着地球每秒钟被数百万颗流星撞击
流星烧蚀模拟中使用的典型等离子体频率分布
信用:糖等
他说:“解释这些测量很棘手。”
“当我们看到这些测量值时，知道我们在看什么并不那么容易理解
" 论文中的模拟基本上建立了一个代表一大块大气的盒子
在盒子的中间，放置了一颗微小的流星，喷出原子
细胞内粒子有限差分时域模拟被用于产生流星原子在与空气分子碰撞中电子被剥离时产生的等离子体的密度分布
“雷达对自由电子真的很敏感，”奥本海默解释道
“你会产生一个巨大的圆锥形等离子体，它会在流星体的前方立即形成，然后在流星体的后方被扫出
这就是雷达观察到的
我们希望能够从雷达观测到的情况追溯到流星体有多大
模拟让我们可以逆向工程
" 目标是能够观察雷达观测的信号强度，并能够获得流星的物理特征，如大小和成分
“到目前为止，我们对此只有非常粗略的估计
模拟使我们能够超越简单的粗略估计，”奥本海默说
“当你可以说‘好吧，这个单一的现象正在发生，独立于这些其他的现象’时，分析理论真的很有效
但是当这一切同时发生时，它就变得如此混乱
模拟成为最好的工具，”奥本海默说
奥本海默被极端科学与工程发现环境(XSEDE)授予超级计算机时间，在TACC的踩踏2超级计算机上进行流星模拟
奥本海默说:“现在我们真的能够利用踩踏2号——这些巨型超级计算机——的力量，以令人难以置信的细节评估流星消融。”
“XSEDE使这项研究成为可能，因为它让我、学生和研究伙伴能够轻松利用超级计算机
" “系统运行良好，”他补充道
“我们使用许多数学包和数据存储包
它们都是预先编译好的，可以在XSEDE上使用
他们也有很好的文档
XSEDE的员工非常优秀
当我们遇到瓶颈或障碍时，它们非常有帮助
这是一笔了不起的财富
" 踩踏2是由美国国家科学基金会(NSF)资助的极端科学和工程发现环境(XSEDE)分配的资源
信用:TACC 就能够模拟流星消融而言，天文学家比20年前进步了很多
奥本海默提到了2020年由波士顿大学本科生加布里埃尔·古托姆森领导的一项研究，该研究模拟微小的流星消融，以观察它升温的速度以及有多少物质冒泡离开
奥本海默说:“流星烧蚀物理很难用纸笔计算，因为流星的不均匀性令人难以置信。”
“你本质上是在模拟爆炸
所有这些物理现象都是在几毫秒内发生的，对于更大的来说是几百毫秒，对于大火球来说，大火球可以持续几秒钟，我们说的是几秒钟
它们是爆炸性事件
" 奥本海默的团队模拟了从皮秒开始的消融过程，皮秒是当空气分子撞击流星时，流星碎裂和原子相互作用的时间尺度
流星经常以每秒50公里甚至高达每秒70公里的惊人速度移动
奥本海默概述了他为解决流星烧蚀问题而进行的三种不同类型的模拟
首先，他使用分子动力学，在空气分子以皮秒的时间分辨率撞击小粒子时，观察单个原子
接下来，他使用一个不同的模拟器来观察当这些分子飞走时会发生什么，然后独立的分子撞击空气分子，变成具有电磁辐射的等离子体
最后，他拿起等离子体，向它发射虚拟雷达，监听那里的回声
到目前为止，他还不能将这三种模拟结合成一种
他形容这是一个“棘手的问题”，对于今天的技术来说，时间跨度太大，无法处理一个自洽的模拟
奥本海默说，他计划在TACC国家科学基金会资助的Frontera超级计算机上申请超级计算机时间，这是地球上最快的学术超级计算机
他说:“踩踏事件2有利于许多较小的测试运行，但如果你有真正大规模的东西，Frontera就是为此而设计的。”
奥本海默说:“超级计算机赋予科学家详细研究真实物理过程的能力，而不是简化的玩具模型
它们最终是一个工具，用于数字测试想法，并更好地理解流星物理的本质和宇宙中的一切
"
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