Dans les cieux au-dessus, il pleut de la terre.

Chaque seconde, des millions de particules de terre plus petites qu'un grain de sable frappent la haute atmosphère terrestre. À environ 100 kilomètres d'altitude, des morceaux de poussière, principalement des débris de collisions d'astéroïdes, traversent le ciel en se vaporisant à une vitesse 10 à 100 fois supérieure à celle d'une balle. Les plus gros peuvent faire des traînées dans le ciel, des météores à couper le souffle.

Les scientifiques utilisent des superordinateurs pour aider à comprendre comment de minuscules météores, invisibles à l'œil nu, libèrent des électrons qui peuvent être détectés par radar et peuvent caractériser la vitesse, la direction et le taux de décélération des météores avec une grande précision, permettant de déterminer son origine. Parce que cette poussière spatiale qui tombe aide à semer des nuages ​​​​générateurs de pluie, cette recherche fondamentale sur les météores aidera les scientifiques à mieux comprendre la chimie de l'atmosphère terrestre. De plus, la composition des météores aide les astronomes à caractériser l'environnement spatial de notre système solaire.

Les météores jouent un rôle important dans la science de la haute atmosphère, non seulement pour la Terre mais aussi pour d'autres planètes. Ils permettent aux scientifiques de diagnostiquer ce qu'il y a dans l'air à l'aide d'un lidar de télédétection à laser pulsé, qui rebondit sur la poussière de météores pour révéler la température, la densité et les vents de la haute atmosphère.

Les scientifiques suivent également au radar le plasma généré par les météores, déterminant la vitesse à laquelle les vents se déplacent dans la haute atmosphère en fonction de la vitesse à laquelle le plasma est poussé. C'est une région impossible à étudier avec des satellites, car la traînée atmosphérique à ces altitudes fera rentrer le vaisseau spatial dans l'atmosphère.

La recherche sur les météores a été publiée en juin 2021 dans le Journal of Geophysical Research :Space Physics de l'American Geophysical Society.

Dans ce document, l'auteur principal Glenn Sugar de l'Université Johns Hopkins a développé des simulations informatiques pour modéliser la physique de ce qui se passe lorsqu'un météore frappe l'atmosphère. Le météore se réchauffe et libère de la matière à des vitesses hypersoniques dans un processus appelé ablation. Le matériau de la remise claque dans les molécules atmosphériques et se transforme en plasma incandescent.

"Ce que nous essayons de faire avec les simulations des météores, c'est d'imiter ce processus très complexe d'ablation, pour voir si nous comprenons la physique en cours ; et aussi pour développer la capacité d'interpréter les observations à haute résolution des météores, principalement des radars. observations de météores", a déclaré le co-auteur de l'étude Meers Oppenheim, professeur d'astronomie à l'université de Boston.

De grandes antennes radar, telles que le télescope radar emblématique mais aujourd'hui disparu d'Arecibo, ont enregistré plusieurs météores par seconde dans une petite parcelle de ciel. Selon Oppenheim, cela signifie que la Terre est frappée par des millions et des millions de météores chaque seconde.

"L'interprétation de ces mesures a été délicate", a-t-il déclaré. "Savoir ce que nous regardons lorsque nous voyons ces mesures n'est pas si facile à comprendre."

Les simulations de l'article mettent essentiellement en place une boîte qui représente un morceau d'atmosphère. Au milieu de la boîte, un minuscule météore est placé, crachant des atomes. Les simulations de domaine temporel à différences finies et particules dans la cellule ont été utilisées pour générer des distributions de densité du plasma généré par les atomes de météores lorsque leurs électrons sont arrachés lors de collisions avec des molécules d'air.

"Les radars sont vraiment sensibles aux électrons libres", a expliqué Oppenheim. "Vous créez un grand plasma conique qui se développe immédiatement devant le météoroïde, puis est balayé derrière le météoroïde. C'est alors ce que le radar observe. Nous voulons pouvoir remonter de ce que le radar a observé jusqu'à la taille. ce météoroïde est. Les simulations nous permettent de faire de l'ingénierie inverse. "

L'objectif est d'être en mesure d'examiner la force du signal des observations radar et d'être en mesure d'obtenir des caractéristiques physiques sur le météore, telles que la taille et la composition.

"Jusqu'à présent, nous n'avons eu que des estimations très grossières à ce sujet. Les simulations nous permettent d'aller au-delà des simples estimations brutes", a déclaré Oppenheim.

"La théorie analytique fonctionne très bien quand vous pouvez dire :'D'accord, ce phénomène unique se produit, indépendamment de ces autres phénomènes.' Mais quand tout se passe en même temps, cela devient tellement désordonné. Les simulations deviennent le meilleur outil », a déclaré Oppenheim.

Oppenheim a reçu du temps de supercalculateur de l'Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) sur le supercalculateur Stampede2 de TACC pour les simulations de météores.

"Maintenant, nous sommes vraiment en mesure d'utiliser la puissance de Stampede2 - ces superordinateurs géants - pour évaluer l'ablation des météores avec des détails incroyables", a déclaré Oppenheim. "XSEDE a rendu cette recherche possible en facilitant l'utilisation des superordinateurs pour moi, les étudiants et les associés de recherche."

"Les systèmes sont bien gérés", a-t-il ajouté. "Nous utilisons de nombreux packages mathématiques et packages de stockage de données. Ils sont tous pré-compilés et prêts à être utilisés sur XSEDE. Ils ont également une bonne documentation. Et le personnel de XSEDE a été très bon. Lorsque nous rencontrons un goulot d'étranglement ou un obstacle , ils sont très utiles. C'est un atout formidable à avoir.

Les astronomes ont une longueur d'avance sur ce qu'ils étaient il y a 20 ans en termes de capacité à modéliser l'ablation des météores. Oppenheim a fait référence à une étude menée en 2020 par Gabrielle Guttormsen, étudiante de premier cycle à l'Université de Boston, qui simule l'ablation d'un minuscule météore pour voir à quelle vitesse il se réchauffe et combien de matière s'évapore.

La physique de l'ablation des météores est très difficile à faire avec des calculs au stylo et au papier, car les météores sont incroyablement inhomogènes, a déclaré Oppenheim. "Vous modélisez essentiellement des explosions. Toute cette physique se produit en millisecondes, des centaines de millisecondes pour les plus grosses, et pour les bolides, les boules de feu géantes qui peuvent durer quelques secondes, nous parlons de secondes. Ce sont des événements explosifs ."

L'équipe d'Oppenheim modélise l'ablation depuis les picosecondes, qui est l'échelle de temps de la désintégration du météore et de l'interaction des atomes lorsque les molécules d'air les percutent. Les météores se déplacent souvent à des vitesses féroces de 50 kilomètres par seconde ou même jusqu'à 70 kilomètres par seconde.

Oppenheim a décrit trois différents types de simulations qu'il mène pour s'attaquer au problème de l'ablation des météores. Tout d'abord, il utilise la dynamique moléculaire, qui examine les atomes individuels lorsque les molécules d'air s'écrasent sur les petites particules à une résolution temporelle picoseconde.

Ensuite, il utilise un simulateur différent pour observer ce qui se passe lorsque ces molécules s'envolent, puis les molécules indépendantes percutent les molécules d'air et deviennent un plasma avec un rayonnement électromagnétique. Enfin, il prend ce plasma et lance un radar virtuel dessus, écoutant les échos là-bas.

Jusqu'à présent, il n'a pas été en mesure de combiner ces trois simulations en une seule. C'est ce qu'il décrit comme un "problème difficile", avec trop d'échelles de temps pour que la technologie actuelle puisse gérer une simulation auto-cohérente.

Oppenheim a déclaré qu'il prévoyait de demander du temps de supercalculateur sur le supercalculateur Frontera financé par la TACC, le supercalculateur universitaire le plus rapide de la planète. "Stampede2 est bon pour de nombreux tests plus petits, mais si vous avez quelque chose de vraiment massif, Frontera est fait pour ça", a-t-il déclaré.

Dit Oppenheim:"Les superordinateurs donnent aux scientifiques le pouvoir d'étudier en détail les processus physiques réels, pas des modèles de jouets simplifiés. Ils sont finalement un outil pour tester numériquement des idées et parvenir à une meilleure compréhension de la nature de la physique des météores et de tout dans l'univers. ."