Nos céus acima, está chovendo sujeira.
A cada segundo, milhões de pedaços de sujeira menores que um grão de areia atingem a atmosfera superior da Terra. A cerca de 100 quilômetros de altitude, pedaços de poeira, principalmente detritos de colisões de asteróides, voam pelo céu, vaporizando à medida que vão de 10 a 100 vezes a velocidade de uma bala. Os maiores podem fazer raias no céu, meteoros que nos tiram o fôlego.

Os cientistas estão usando supercomputadores para ajudar a entender como meteoros minúsculos, invisíveis a olho nu, liberam elétrons que podem ser detectados por radar e podem caracterizar a velocidade, direção e taxa de desaceleração do meteoro com alta precisão, permitindo determinar sua origem. Como essa poeira espacial em queda ajuda a semear nuvens que produzem chuva, essa pesquisa básica sobre meteoros ajudará os cientistas a entender melhor a química da atmosfera da Terra. Além disso, a composição do meteoro ajuda os astrônomos a caracterizar o ambiente espacial do nosso sistema solar.

Os meteoros desempenham um papel importante na ciência da atmosfera superior, não apenas para a Terra, mas também para outros planetas. Eles permitem que os cientistas possam diagnosticar o que está no ar usando o LIDAR de sensoriamento remoto a laser pulsado, que reflete a poeira de meteoros para revelar a temperatura, a densidade e os ventos da atmosfera superior.

Os cientistas também rastreiam com radar o plasma gerado por meteoros, determinando a velocidade com que os ventos estão se movendo na atmosfera superior pela rapidez com que o plasma é empurrado. É uma região impossível de estudar com satélites, pois o arrasto atmosférico nessas altitudes fará com que a espaçonave volte a entrar na atmosfera.

A pesquisa de meteoros foi publicada em junho de 2021 no Journal of Geophysical Research:Space Physics da Sociedade Geofísica Americana.

Nele, o autor principal Glenn Sugar da Universidade Johns Hopkins desenvolveu simulações de computador para modelar a física do que acontece quando um meteoro atinge a atmosfera. O meteoro aquece e libera material em velocidades hipersônicas em um processo chamado ablação. O material derramado bate em moléculas atmosféricas e se transforma em plasma brilhante.

"O que estamos tentando fazer com as simulações dos meteoros é imitar esse processo muito complexo de ablação, para ver se entendemos a física que está acontecendo; e também desenvolver a capacidade de interpretar observações de meteoros em alta resolução, principalmente radar observações de meteoros", disse o coautor do estudo Meers Oppenheim, professor de astronomia da Universidade de Boston.

Grandes antenas de radar, como o icônico, mas agora extinto, telescópio de radar Arecibo , registraram vários meteoros por segundo em um pequeno pedaço do céu. De acordo com Oppenheim, isso significa que a Terra está sendo atingida por milhões e milhões de meteoros a cada segundo.

"Interpretar essas medições tem sido complicado", disse ele. "Saber o que estamos vendo quando vemos essas medidas não é tão fácil de entender."

As simulações no artigo basicamente configuram uma caixa que representa um pedaço de atmosfera. No meio da caixa, um pequeno meteoro é colocado, expelindo átomos. As simulações de domínio de tempo de diferença finita de partícula em célula foram usadas para gerar distribuições de densidade do plasma gerado por átomos de meteoros à medida que seus elétrons são retirados em colisões com moléculas de ar.

"Os radares são realmente sensíveis aos elétrons livres", explicou Oppenheim. "Você faz um grande plasma cônico que se desenvolve imediatamente na frente do meteoróide e depois é varrido atrás do meteoróide. Isso é o que o radar observa. Queremos ser capazes de ir do que o radar observou de volta para quão grande esse meteoroide é. As simulações nos permitem fazer engenharia reversa disso."

O objetivo é poder observar a intensidade do sinal das observações de radar e obter características físicas do meteoro, como tamanho e composição.

"Até agora só tivemos estimativas muito grosseiras disso. As simulações nos permitem ir além das simples estimativas brutas", disse Oppenheim.

"A teoria analítica funciona muito bem quando você pode dizer:'Ok, esse fenômeno único está acontecendo, independentemente desses outros fenômenos.' Mas quando tudo está acontecendo ao mesmo tempo, fica tão confuso. As simulações se tornam a melhor ferramenta", disse Oppenheim.

Oppenheim foi premiado com tempo de supercomputador pelo Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) no supercomputador Stampede2 da TACC pelas simulações de meteoros.

"Agora somos realmente capazes de usar o poder do Stampede2 - esses supercomputadores gigantes - para avaliar a ablação de meteoros em detalhes incríveis", disse Oppenheim. "O XSEDE tornou esta pesquisa possível, tornando mais fácil para mim, para os alunos e para os associados de pesquisa tirar proveito dos supercomputadores."

"Os sistemas são bem administrados", acrescentou. "Nós usamos muitos pacotes matemáticos e pacotes de armazenamento de dados. Eles estão todos pré-compilados e prontos para usarmos no XSEDE. Eles também têm boa documentação. E a equipe do XSEDE tem sido muito boa. Quando nos deparamos com um gargalo ou obstáculo , eles são muito úteis. Tem sido um ótimo recurso para se ter."

Os astrônomos estão muito à frente de onde estavam há 20 anos em termos de poder modelar a ablação de meteoros. Oppenheim se referiu a um estudo de 2020 liderado pela graduada da Universidade de Boston Gabrielle Guttormsen que simula uma pequena ablação de meteoros para ver a rapidez com que aquece e quanto material borbulha.

A física da ablação de meteoros é muito difícil de fazer com cálculos de caneta e papel, porque os meteoros são incrivelmente não homogêneos, disse Oppenheim. "Você está essencialmente modelando explosões. Toda essa física está acontecendo em milissegundos, centenas de milissegundos para os maiores, e para os bólidos, as bolas de fogo gigantes que podem durar alguns segundos, estamos falando de segundos. São eventos explosivos ."

A equipe de Oppenheim modela a ablação desde picossegundos, que é a escala de tempo da desintegração do meteoro e os átomos interagindo quando as moléculas de ar colidem com eles. Os meteoros geralmente viajam a velocidades ferozes de 50 quilômetros por segundo ou até 70 quilômetros por segundo.

Oppenheim delineou três tipos diferentes de simulações que ele está realizando para atacar o problema da ablação de meteoros. Primeiro, ele usa a dinâmica molecular, que analisa os átomos individuais à medida que as moléculas de ar colidem com as pequenas partículas em resolução de tempo de picossegundos.

Em seguida, ele usa um simulador diferente para observar o que acontece quando essas moléculas voam para longe, e então as moléculas independentes batem nas moléculas de ar e se tornam um plasma com radiação eletromagnética. Finalmente, ele pega esse plasma e lança um radar virtual nele, ouvindo os ecos lá.

Até agora, ele não conseguiu combinar essas três simulações em uma. É o que ele descreve como um 'problema difícil', com muitas escalas de tempo para a tecnologia de hoje lidar com uma simulação auto-consistente.

Oppenheim disse que planeja se candidatar a tempo de supercomputador no supercomputador Frontera da TACC, financiado pela NSF, o supercomputador acadêmico mais rápido do planeta. “O Stampede2 é bom para muitos testes menores, mas se você tem algo realmente grande, o Frontera é feito para isso”, disse ele.

Disse Oppenheim:"Os supercomputadores dão aos cientistas o poder de investigar em detalhes os processos físicos reais, não modelos de brinquedo simplificados. Eles são, em última análise, uma ferramenta para testar numericamente ideias e chegar a uma melhor compreensão da natureza da física dos meteoros e tudo no universo ."