Bảo vệ Trái đất khỏi “bão không gian”

Chúng ta hiện đang thấy những ảnh hưởng của lần đầu tiên trong thời gian thực.

Sự kiện thời tiết cực đoan ở ngoài không gian lớn cuối cùng xảy ra trên Trái đất vào năm 1859. Các sự kiện thời tiết không gian nhỏ hơn, nhưng vẫn đáng kể, xảy ra thường xuyên. Những thiết bị điện tử và lưới điện này, phá vỡ hệ thống định vị toàn cầu, gây ra sự thay đổi trong phạm vi của Aurora Borealis và làm tăng nguy cơ bức xạ cho các phi hành gia hoặc hành khách trên máy bay vượt qua các cực.

“Chúng tôi có tất cả những tài sản công nghệ này có nguy cơ”, Toth nói. “Nếu một sự kiện cực đoan như năm 1859 xảy ra một lần nữa, nó sẽ phá hủy hoàn toàn lưới điện và hệ thống vệ tinh và thông tin liên lạc – rủi ro cao hơn nhiều.”

Được thúc đẩy bởi Chiến lược thời tiết không gian quốc gia của Nhà Trắng và Sáng kiến Máy tính Chiến lược Quốc gia, vào năm 2020, Quỹ Khoa học Quốc gia (NSF) và NASA đã tạo ra chương trình Thời tiết không gian với sự không chắc chắn định lượng (SWQU). Nó tập hợp các nhóm nghiên cứu từ nhiều ngành khoa học để thúc đẩy phân tích thống kê mới nhất và các phương pháp tính toán hiệu suất cao trong lĩnh vực mô hình hóa thời tiết không gian.

“Chúng tôi rất tự hào đã khởi động các dự án SWQU bằng cách tập hợp chuyên môn và hỗ trợ trên nhiều lĩnh vực khoa học trong nỗ lực chung giữa NSF và NASA“, Vyacheslav (Slava) Lukin, Giám đốc Chương trình Vật lý Plasma tại NSF cho biết. “Nhu cầu đã được công nhận trong một thời gian, và danh mục đầu tư của sáu dự án, Gabor Toth trong số đó, không chỉ tham gia vào các nhóm đại học hàng đầu, mà còn các Trung tâm NASA, Bộ Quốc phòng và Phòng thí nghiệm Quốc gia Bộ Năng lượng, cũng như khu vực tư nhân.”

Toth đã giúp phát triển mô hình dự báo thời tiết không gian ưu việt ngày nay, được sử dụng để dự báo hoạt động của Cơ quan Khí quyển và Đại dương Quốc gia (NOAA). Vào ngày 3 tháng 2 năm 2021, NOAA bắt đầu sử dụng Mô hình Không gian Địa lý Phiên bản 2.0, một phần của Khung mô hình thời tiết không gian của Đại học Michigan, để dự đoán sự xáo trộn địa từ.

“Chúng tôi không ngừng cải tiến mô hình của mình”, Toth nói. Mô hình mới thay thế phiên bản 1.5 đã hoạt động từ tháng 11 năm 2017. “Sự thay đổi chính trong phiên bản 2 là sự tinh chỉnh của lưới số trong từ quyển, một số cải tiến trong các thuật toán và hiệu chỉnh lại các tham số thực nghiệm.”

Mô hình Không gian Địa lý dựa trên một đại diện toàn cầu của môi trường Không gian Địa lý của Trái đất bao gồm magnetohydrodynamics – tính chất và hành vi của các chất lỏng dẫn điện như plasma tương tác với từ trường, đóng một vai trò quan trọng trong động lực của thời tiết không gian.

Mô hình Geospace dự đoán sự xáo trộn từ tính trên mặt đất do tương tác không gian địa lý với gió mặt trời. Những nhiễu loạn từ tính như vậy gây ra một trường địa điện có thể làm hỏng dây dẫn điện quy mô lớn, chẳng hạn như lưới điện.

Cảnh báo tiên tiến ngắn hạn từ mô hình cung cấp cho các nhà dự báo và vận hành lưới điện nhận thức tình huống về dòng điện có hại và cho phép thời gian để giảm thiểu vấn đề và duy trì tính toàn vẹn của lưới điện, NOAA công bố tại thời điểm ra mắt.

Tiên tiến như Mô hình Geospace, nó chỉ cung cấp khoảng 30 phút cảnh báo nâng cao. Nhóm của Toth là một trong nhiều nhóm làm việc để tăng thời gian dẫn lên một đến ba ngày. Làm như vậy có nghĩa là hiểu hoạt động trên bề mặt Mặt trời dẫn đến các sự kiện có thể ảnh hưởng đến Trái đất như thế nào.

“Chúng tôi hiện đang sử dụng dữ liệu từ một vệ tinh đo các thông số plasma cách Trái đất một triệu dặm”, Toth giải thích. Các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ bắt đầu từ Mặt trời, sử dụng quan sát từ xa bề mặt Mặt trời – đặc biệt là các vụ phóng khối lượng coronal tạo ra các ngọn lửa có thể nhìn thấy trong tia X và tia UV. “Điều đó xảy ra sớm trên mặt trời. Từ thời điểm đó, chúng tôi có thể chạy một mô hình và dự đoán thời gian đến và tác động của các sự kiện từ tính”.

Cải thiện thời gian dẫn đầu của dự báo thời tiết không gian đòi hỏi các phương pháp và thuật toán mới có thể tính toán nhanh hơn nhiều so với các phương pháp được sử dụng ngày nay và có thể được triển khai hiệu quả trên các máy tính hiệu suất cao. Toth sử dụng siêu máy tính Frontera tại Trung tâm Điện toán Tiên tiến Texas – hệ thống học thuật nhanh nhất thế giới và mạnh thứ 10 chung cuộc – để phát triển và thử nghiệm các phương pháp mới này.

“Tôi thấy mình thực sự giỏi trong việc phát triển các thuật toán mới”, Toth nói. “Tôi áp dụng chúng vào vật lý vũ trụ, nhưng nhiều thuật toán tôi phát triển chung chung hơn và không giới hạn ở một ứng dụng.”

Một cải tiến thuật toán quan trọng được thực hiện bởi Toth liên quan đến việc tìm ra một cách mới để kết hợp các khía cạnh động học và chất lỏng của plasma trong một mô hình mô phỏng. “Mọi người đã thử nó trước đây và thất bại. Nhưng chúng tôi đã làm cho nó hoạt động. Chúng tôi đi nhanh hơn một triệu lần so với mô phỏng brute-force bằng cách phát minh ra các xấp xỉ và thuật toán thông minh, “Toth nói.

Thuật toán mới tự động điều chỉnh vị trí được bao phủ bởi mô hình động học dựa trên kết quả mô phỏng. Mô hình xác định các khu vực sở thích và đặt mô hình động học và các tài nguyên tính toán để tập trung vào chúng. Điều này có thể dẫn đến tốc độ 10 đến 100 lần cho các mô hình thời tiết không gian.

Là một phần của dự án NSF SWQU, Toth và nhóm của ông đã làm việc để làm cho Khung mô hình thời tiết không gian chạy hiệu quả trên các siêu máy tính trong tương lai phụ thuộc nhiều vào các đơn vị xử lý đồ họa (GPU). Như một mục tiêu đầu tiên, họ đặt ra để chuyển mô hình Geospace sang GPU bằng cách sử dụng trình biên dịch NVIDIA Fortran với các chỉ thị OpenACC.

Gần đây, họ đã quản lý để chạy mô hình Geospace đầy đủ nhanh hơn thời gian thực trên một GPU duy nhất. Họ đã sử dụng máy Longhorn hỗ trợ GPU của TACC để đạt được cột mốc này. Để chạy mô hình có cùng tốc độ trên siêu máy tính truyền thống đòi hỏi ít nhất 100 lõi CPU.

“Phải mất cả năm phát triển mã để thực hiện điều này, Toth nói. ” Mục tiêu là chạy một tập hợp các mô phỏng nhanh chóng và hiệu quả để cung cấp dự báo thời tiết không gian xác suất.”

Loại dự báo xác suất này rất quan trọng đối với một khía cạnh khác trong nghiên cứu của Toth: định vị hóa các dự đoán về tác động lên bề mặt Trái đất.

“Chúng ta nên lo lắng ở Michigan hay chỉ ở Canada? Các máy biến áp đặc biệt hiện tại gây ra tối đa sẽ trải nghiệm là gì? Máy phát điện sẽ cần phải tắt trong bao lâu? Để làm điều này một cách chính xác, bạn cần một mô hình mà bạn tin tưởng”, ông nói. “Bất cứ điều gì chúng tôi dự đoán, luôn có một số sự không chắc chắn. Chúng tôi muốn đưa ra dự đoán với xác suất chính xác, tương tự như dự báo thời tiết trên mặt đất”.

Toth và nhóm của ông chạy mã của họ song song trên hàng ngàn lõi trên Frontera cho mỗi mô phỏng. Họ có kế hoạch chạy hàng ngàn mô phỏng trong những năm tới để xem các tham số mô hình ảnh hưởng đến kết quả như thế nào để tìm ra các tham số mô hình tốt nhất và có thể gắn xác suất vào kết quả mô phỏng.

“Nếu không có Frontera, tôi không nghĩ chúng tôi có thể thực hiện nghiên cứu này”, Toth nói. “Khi bạn tập hợp những người thông minh và máy tính lớn, những điều tuyệt vời có thể xảy ra.”

Mô hình Mặt trời đến Trái đất Michigan, bao gồm SWMF Geospace và cổng GPU mới, có sẵn dưới dạng mã nguồn mở tại https://github.com/MSTEM-QUDA. Toth và các cộng sự của ông đã công bố một đánh giá về những phát triển gần đây và đang tiến triển cho mô hình trong số tháng 5 của EOS.

>>> Kiến thức về Sao Mộc: ‘cuộc khủng hoảng năng lượng’