Nei cieli in alto piove terra.

Ogni secondo, milioni di pezzi di sporco più piccoli di un granello di sabbia colpiscono l'atmosfera superiore della Terra. A circa 100 chilometri di altitudine, frammenti di polvere, principalmente detriti di collisioni di asteroidi, sfrecciano nel cielo vaporizzando da 10 a 100 volte la velocità di un proiettile. I più grandi possono fare striature nel cielo, meteore che ci tolgono il fiato.

Gli scienziati stanno utilizzando i supercomputer per aiutare a capire come minuscole meteore, invisibili ad occhio nudo, liberano elettroni che possono essere rilevati dal radar e possono caratterizzare la velocità, la direzione e la velocità di decelerazione della meteora con alta precisione, consentendo di determinarne l'origine. Poiché questa polvere spaziale che cade aiuta a seminare nuvole che producono pioggia, questa ricerca di base sulle meteore aiuterà gli scienziati a comprendere più a fondo la chimica dell'atmosfera terrestre. Inoltre, la composizione delle meteore aiuta gli astronomi a caratterizzare l'ambiente spaziale del nostro sistema solare.

Le meteore svolgono un ruolo importante nella scienza dell'atmosfera superiore, non solo per la Terra ma anche per altri pianeti. Consentono agli scienziati di essere in grado di diagnosticare cosa c'è nell'aria utilizzando il lidar di telerilevamento laser pulsato, che rimbalza sulla polvere di meteoriti per rivelare la temperatura, la densità e i venti dell'alta atmosfera.

Gli scienziati tracciano anche con il radar il plasma generato dalle meteore, determinando la velocità con cui si muovono i venti nell'alta atmosfera dalla velocità con cui il plasma viene spinto. È una regione impossibile da studiare con i satelliti, poiché la resistenza atmosferica a queste altitudini farà rientrare il veicolo spaziale nell'atmosfera.

La ricerca sulle meteore è stata pubblicata a giugno 2021 nel Journal of Geophysical Research:Space Physics dell'American Geophysical Society.

In esso, l'autore principale Glenn Sugar della Johns Hopkins University ha sviluppato simulazioni al computer per modellare la fisica di ciò che accade quando una meteora colpisce l'atmosfera. La meteora si riscalda e rilascia materiale a velocità ipersoniche in un processo chiamato ablazione. Il materiale del capannone sbatte contro le molecole atmosferiche e si trasforma in plasma luminoso.

"Quello che stiamo cercando di fare con le simulazioni delle meteore è imitare quel processo molto complesso di ablazione, per vedere se comprendiamo la fisica in corso; e anche per sviluppare la capacità di interpretare osservazioni ad alta risoluzione di meteore, principalmente radar osservazioni di meteore", ha affermato il coautore dello studio Meers Oppenheim, professore di astronomia alla Boston University.

Grandi antenne radar, come l'iconico ma ormai defunto telescopio radar di Arecibo, hanno registrato più meteore al secondo in un piccolo minuscolo pezzo di cielo. Secondo Oppenheim, questo significa che la Terra viene colpita da milioni e milioni di meteore ogni secondo.

"Interpretare quelle misurazioni è stato complicato", ha detto. "Sapere cosa stiamo guardando quando vediamo queste misurazioni non è così facile da capire".

Le simulazioni nel documento hanno sostanzialmente creato una scatola che rappresenta un pezzo di atmosfera. Al centro della scatola è posizionata una minuscola meteora, che vomita atomi. Le simulazioni nel dominio del tempo particella-in-cella, alle differenze finite, sono state utilizzate per generare distribuzioni di densità del plasma generato dagli atomi di meteoriti mentre i loro elettroni vengono strappati via in collisione con le molecole d'aria.

"I radar sono molto sensibili agli elettroni liberi", ha spiegato Oppenheim. "Fai un grande plasma conico che si sviluppa immediatamente davanti al meteoroide e poi viene spazzato via dietro il meteoroide. Questo è ciò che osserva il radar. Vogliamo essere in grado di tornare da ciò che il radar ha osservato a quanto è grande quel meteoroide è. Le simulazioni ci permettono di decodificare quello.

L'obiettivo è essere in grado di esaminare la potenza del segnale delle osservazioni radar ed essere in grado di ottenere le caratteristiche fisiche della meteora, come le dimensioni e la composizione.

"Finora abbiamo avuto solo stime molto grezze in merito. Le simulazioni ci consentono di andare oltre le semplici stime grezze", ha affermato Oppenheim.

"La teoria analitica funziona davvero bene quando puoi dire:'Ok, questo singolo fenomeno sta accadendo, indipendentemente da questi altri fenomeni.' Ma quando accade tutto in una volta, diventa così disordinato. Le simulazioni diventano lo strumento migliore", ha affermato Oppenheim.

Oppenheim ha ricevuto il tempo di supercomputer dall'Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) sul supercomputer Stampede2 di TACC per le simulazioni meteoriche.

"Ora siamo davvero in grado di utilizzare la potenza di Stampede2, questi giganteschi supercomputer, per valutare l'ablazione dei meteoriti con dettagli incredibili", ha affermato Oppenheim. "XSEDE ha reso possibile questa ricerca consentendo a me, agli studenti e ai ricercatori associati di trarre vantaggio dai supercomputer."

"I sistemi sono ben gestiti", ha aggiunto. "Utilizziamo molti pacchetti matematici e pacchetti di archiviazione dati. Sono tutti precompilati e pronti per essere utilizzati su XSEDE. Hanno anche una buona documentazione. E lo staff di XSEDE è stato molto bravo. Quando ci imbattiamo in un collo di bottiglia o in un ostacolo , sono molto utili. È stata una risorsa formidabile da avere".

Gli astronomi sono passi da gigante rispetto a dove erano 20 anni fa in termini di capacità di modellare l'ablazione delle meteore. Oppenheim ha fatto riferimento a uno studio del 2020 condotto dalla studentessa della Boston University Gabriele Guttormsen che simula l'ablazione di minuscole meteoriti per vedere quanto velocemente si riscalda e quanto materiale bolle via.

La fisica dell'ablazione delle meteore è molto difficile da fare con i calcoli con carta e penna, perché le meteore sono incredibilmente disomogenee, ha affermato Oppenheim. "Stai essenzialmente modellando esplosioni. Tutta questa fisica sta accadendo in millisecondi, centinaia di millisecondi per quelli più grandi, e per i bolidi, le gigantesche palle di fuoco che possono durare pochi secondi, stiamo parlando di secondi. Sono eventi esplosivi ."

Il team di Oppenheim modella l'ablazione partendo dai picosecondi, che è la scala temporale della disintegrazione della meteora e degli atomi che interagiscono quando le molecole d'aria vi colpiscono. Le meteore viaggiano spesso a velocità feroci di 50 chilometri al secondo o addirittura fino a 70 chilometri al secondo.

Oppenheim ha delineato tre diversi tipi di simulazioni che sta conducendo per attaccare il problema dell'ablazione delle meteore. In primo luogo, usa la dinamica molecolare, che osserva i singoli atomi mentre le molecole d'aria colpiscono le piccole particelle con una risoluzione temporale di picosecondi.

Successivamente, usa un simulatore diverso per osservare cosa succede mentre quelle molecole volano via, e poi le molecole indipendenti colpiscono le molecole d'aria e diventano un plasma con radiazioni elettromagnetiche. Alla fine, prende quel plasma e gli lancia un radar virtuale, ascoltando gli echi lì.

Finora, non è stato in grado di combinare queste tre simulazioni in una. È quello che descrive come un "problema rigido", con troppi tempi per la tecnologia odierna per gestire una simulazione autoconsistente.

Oppenheim ha detto che prevede di richiedere il tempo di supercomputer sul supercomputer Frontera finanziato dall'NSF del TACC, il supercomputer accademico più veloce del pianeta. "Stampede2 va bene per molte prove più piccole, ma se hai qualcosa di veramente imponente, Frontera è fatto apposta per quello", ha detto.

Ha detto Oppenheim:"I supercomputer danno agli scienziati il ​​potere di indagare in dettaglio i processi fisici reali, non modelli di giocattoli semplificati. In definitiva sono uno strumento per testare numericamente le idee e arrivare a una migliore comprensione della natura della fisica delle meteore e di tutto nell'universo ."