超级计算机将改善空间天气预测？空间天气预测的主要焦点之一什么

　　研究人员使用超级计算机开发新软件以改进空间天气预报。

　　太阳表面充满了能量，并经常向地球喷射大量的高磁化等离子体。有时，这些喷射的高磁化等离子体足以穿透磁层（保护地球的天然磁屏蔽），破坏卫星或电网。如果遇到这种太空天气事件，那将可能是灾难性的。

　　几个世纪以来，天文学家对太阳的活动有了越来越多的了解。今天，计算机是了解太阳行为及其在空间天气事件中的作用的核心。

　　“空间天气需要实时产品，这样我们就可以在事件发生前预测影响，而不仅仅是在事件发生后。”位于亨茨维尔的阿拉巴马大学杰出的空间科学教授尼古拉·波戈列洛夫解释说，他几十年来一直使用计算机研究空间天气。“这个主题——与国家空间计划、环境和其他问题相关——最近被提升到一个更高的层次。”

　　“电子通信、全球定位系统和日常用品可能会受到极端空间天气影响。”波戈列洛夫说。

　　此外，美国正在计划去其他星球和月球的任务。所有这些都需要对太空天气进行非常准确的预测——用于航天器的设计和提醒宇航员注意极端事件。

　　在美国国家科学基金会(NSF)和美国国家航空航天局(NASA)的资助下，波戈列洛夫领导了一个团队，致力于提高空间天气预测的水平。

　　“这项研究融合了复杂的科学、先进的计算和令人兴奋的观测，将增进我们对太阳如何驱动空间天气及其对地球的影响的理解。”国家科学基金会大气和地球空间科学部空间天气项目主任曼加拉·夏尔马说。“这项工作将帮助科学家预测太空天气事件，并增强我们国家抵御这些潜在自然灾害的能力。”

　　多机构的努力涉及美国宇航局戈达德和马歇尔太空飞行中心、劳伦斯伯克利国家实验室以及两家私营公司 Predictive Science Inc. 和 Space Systems Research Corporation。

　　Pogorelov 使用德州高级计算中心 （TACC） 的 Frontera 超级计算机——世界第九快——以及美国宇航局艾姆斯研究中心的美国宇航局高级超级计算 （NAS） 设施和圣地亚哥超级计算中心，以提高空间天气预报核心的模型和方法。

　　2021 年 4 月，Pogorelov 与 Michael Gedalin（以色列内盖夫本古里安大学）和 Vadim Roytershteyn（空间科学研究所）在《天体物理学杂志》上撰文描述了回流拾取离子在宇宙中带电粒子加速中的作用。星际或本地来源的回流离子被磁化的太阳风等离子体拾取并从太阳径向向外移动。

　　“一些非热粒子可以进一步加速以产生太阳高能粒子，这对地球上的太空天气条件和太空中的人们来说尤其重要。”他说。

　　波戈列洛夫在Frontera上进行了模拟，以更好地理解这一现象，并将其与旅行者1号和旅行者2号的观测结果进行比较。旅行者1号和旅行者2号是探索日光层外部的航天器，现在正在提供来自当地星际介质的独特数据。

　　空间天气预测的主要焦点之一是正确预测日冕物质抛射的到来——等离子体的释放和伴随的来自日冕的磁场——并确定它携带的磁场方向。Pogorelov 团队对回流离子的研究有助于做到这一点，2020 年发表在《天体物理学杂志》上的工作也是如此，该工作使用基于磁通绳的磁流体动力学模型来预测到达地球的时间和 2012 年 7 月 12 日日冕质量的磁场配置弹射。（磁流体动力学是指等离子体等导电流体的磁性和行为，它在空间天气动力学中起着关键作用）。

　　Pogorelov 是帕克太阳探测器上一个名为 SWEAP（太阳风电子、质子和阿尔法仪器）的板载组件的联合研究员。在每次轨道上，探测器都会接近太阳，提供有关太阳风特征的新信息。

　　随着探测器和其他新的观测工具的出现，Pogorelov预计会有大量新数据，这些数据可以为与空间天气预测相关的新模型提供信息并推动其发展。出于这个原因，除了他的基础研究，波戈列洛夫正在开发一个灵活的软件框架，可供世界各地的不同研究小组使用，并可以集成新的观察数据。

　　Pogorelov说：“我们正试图以一种方式构建软件，如果用户从新的科学任务中获得更好的边界条件，他们将更容易集成这些信息。”