“Existem apenas dois desastres naturais que podem impactar todos os Estados Unidos, "de acordo com Gabor Toth, professor de Clima e Ciências Espaciais e Engenharia da Universidade de Michigan. "Um é uma pandemia e o outro é um evento climático espacial extremo."

No momento, estamos vendo os efeitos do primeiro em tempo real.

O último grande evento climático espacial atingiu a Terra em 1859. Menor, mas ainda significativo, eventos climáticos espaciais ocorrem regularmente. Esses eletrônicos fritos e redes de energia, interromper os sistemas de posicionamento global, causar mudanças no alcance da Aurora Boreal, e aumentam o risco de radiação para astronautas ou passageiros em aviões que cruzam os pólos.

“Temos todos esses ativos tecnológicos que estão em risco, "Toth disse." Se um evento extremo como o de 1859 acontecesse novamente, destruiria completamente a rede elétrica e os sistemas de comunicação e satélite - os riscos são muito maiores. "

Motivado pela Estratégia e Plano de Ação Nacional para o Clima Espacial da Casa Branca e pela Iniciativa de Computação Estratégica Nacional, em 2020, a Fundação Nacional de Ciências (NSF) e a NASA criaram o programa Clima Espacial com Incertezas Quantificadas (SWQU). Ele reúne equipes de pesquisa de várias disciplinas científicas para fazer avançar as análises estatísticas mais recentes e os métodos de computação de alto desempenho no campo da modelagem do clima espacial.

"Estamos muito orgulhosos de ter lançado os projetos SWQU, reunindo experiência e suporte em vários domínios científicos em um esforço conjunto entre a NSF e a NASA, "disse Vyacheslav (Slava) Lukin, o Diretor do Programa de Física de Plasma na NSF. “A necessidade foi reconhecida há algum tempo, e o portfólio de seis projetos, Gabor Toth está entre eles, envolve não apenas os principais grupos universitários, mas também centros da NASA, Departamento de Defesa e Laboratórios Nacionais do Departamento de Energia, bem como o setor privado. "

Toth ajudou a desenvolver o modelo preeminente de previsão do clima espacial de hoje, que é usado para previsões operacionais pela Administração Oceânica e Atmosférica Nacional (NOAA). Em 3 de fevereiro, 2021, NOAA começou a usar o Geospace Model Versão 2.0, que faz parte da Estrutura de Modelagem do Clima Espacial da Universidade de Michigan, para prever distúrbios geomagnéticos.

"Estamos constantemente melhorando nossos modelos, "Toth disse. O novo modelo substitui a versão 1.5, que está em operação desde novembro de 2017. "A principal mudança na versão 2 foi o refinamento da grade numérica na magnetosfera, várias melhorias nos algoritmos, e uma recalibração dos parâmetros empíricos. "

O modelo geoespacial é baseado em uma representação global do ambiente geoespacial da Terra que inclui magnetohidrodinâmica - as propriedades e o comportamento de fluidos condutores de eletricidade, como plasma interagindo com campos magnéticos, que desempenha um papel fundamental na dinâmica do clima espacial.

O modelo geoespacial prevê distúrbios magnéticos no solo resultantes de interações geoespaciais com o vento solar. Tais distúrbios magnéticos induzem um campo geoelétrico que pode danificar condutores elétricos em grande escala, como a rede elétrica.

O aviso avançado de curto prazo do modelo fornece meteorologistas e operadores de rede elétrica com consciência situacional sobre correntes prejudiciais e permite tempo para mitigar o problema e manter a integridade da rede de energia elétrica, NOAA anunciada no momento do lançamento.

Por mais avançado que seja o modelo geoespacial, ele fornece apenas cerca de 30 minutos de aviso prévio. A equipe de Toth é um dos vários grupos que trabalham para aumentar o prazo de entrega para um a três dias. Fazer isso significa entender como a atividade na superfície do Sol leva a eventos que podem impactar a Terra.

"No momento, estamos usando dados de um satélite medindo parâmetros de plasma a um milhão de milhas de distância da Terra, "Toth explicou. Os pesquisadores esperam começar a partir do Sol, usando a observação remota da superfície do Sol - em particular, ejeções de massa coronal que produzem erupções visíveis em raios-X e luz ultravioleta. "Isso acontece no início do Sol. A partir desse ponto, podemos executar um modelo e prever o tempo de chegada e o impacto de eventos magnéticos. "

Melhorar o tempo de espera das previsões meteorológicas espaciais requer novos métodos e algoritmos que podem ser computados com muito mais rapidez do que os usados ​​hoje e podem ser implantados com eficiência em computadores de alto desempenho. Toth usa o supercomputador Frontera no Texas Advanced Computing Center - o sistema acadêmico mais rápido do mundo e o décimo mais poderoso no geral - para desenvolver e testar esses novos métodos.

"Eu me considero muito bom no desenvolvimento de novos algoritmos, "Toth disse." Eu aplico isso à física espacial, mas muitos dos algoritmos que desenvolvo são mais gerais e não se restringem a um único aplicativo. "

Uma melhoria algorítmica chave feita por Toth envolveu encontrar uma nova maneira de combinar os aspectos cinéticos e fluidos dos plasmas em um modelo de simulação. "As pessoas tentaram antes e falharam. Mas nós fizemos funcionar. Vamos um milhão de vezes mais rápido do que as simulações de força bruta, inventando algoritmos e aproximações inteligentes, "Toth disse.

O novo algoritmo adapta dinamicamente o local coberto pelo modelo cinético com base nos resultados da simulação. O modelo identifica as regiões de interesse e posiciona o modelo cinético e os recursos computacionais para focalizá-las. Isso pode resultar em uma aceleração de tempo de 10 a 100 para modelos de clima espacial.

Como parte do projeto NSF SWQU, Toth e sua equipe têm trabalhado para fazer a Estrutura de Modelagem do Clima Espacial funcionar de forma eficiente em futuros supercomputadores que dependem fortemente de unidades de processamento gráfico (GPUs). Como primeiro objetivo, eles se propuseram a portar o modelo geoespacial para GPUs usando o compilador NVIDIA Fortran com diretivas OpenACC.

Recentemente, eles conseguiram executar o modelo geoespacial completo mais rápido do que em tempo real em uma única GPU. Eles usaram a máquina Longhorn habilitada para GPU da TACC para atingir esse marco. Para executar o modelo com a mesma velocidade em um supercomputador tradicional, são necessários pelo menos 100 núcleos de CPU.

"Demorou um ano inteiro de desenvolvimento de código para fazer isso acontecer, Toth disse. "O objetivo é executar um conjunto de simulações de forma rápida e eficiente para fornecer uma previsão do tempo espacial probabilística."

Esse tipo de previsão probabilística é importante para outro aspecto da pesquisa de Toth:a localização de previsões em termos do impacto na superfície da Terra.

"Devemos nos preocupar em Michigan ou apenas no Canadá? Qual é a corrente induzida máxima que transformadores específicos experimentarão? Por quanto tempo os geradores precisarão ser desligados? Para fazer isso com precisão, você precisa de um modelo em que acredite, "ele disse." O que quer que possamos prever, sempre há alguma incerteza. Queremos dar previsões com probabilidades precisas, semelhantes às previsões do tempo terrestre. "

Toth e sua equipe executam seu código em paralelo em milhares de núcleos no Frontera para cada simulação. Eles planejam executar milhares de simulações nos próximos anos para ver como os parâmetros do modelo afetam os resultados para encontrar os melhores parâmetros do modelo e ser capaz de anexar probabilidades aos resultados da simulação.

"Sem Frontera, Não acho que poderíamos fazer essa pesquisa, "Toth disse." Quando você junta pessoas inteligentes e grandes computadores, grandes coisas podem acontecer. "

O Modelo Sol-Terra de Michigan, incluindo o SWMF Geospace e a nova porta GPU, está disponível como código aberto em https://github.com/MSTEM-QUDA.