No céu, está chovendo terra.
A cada segundo, milhões de pedaços de sujeira menores do que um grão de areia atingem a parte superior da atmosfera 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 estrias no céu, meteoros que nos deixam sem fôlego.
Cientistas estão usando supercomputadores para ajudar a entender como minúsculos meteoros, 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 que sua origem seja determinada. Como essa poeira espacial em queda ajuda a semear as nuvens produtoras de chuva, esta pesquisa básica sobre meteoros ajudará os cientistas a compreender mais plenamente a química da atmosfera da Terra. Além do mais, a composição de meteoros ajuda os astrônomos a caracterizar o ambiente espacial de 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 com sensor remoto a laser pulsado, que ricocheteia na poeira do meteoro para revelar a temperatura, densidade e os ventos da alta atmosfera.
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 velocidade com que o plasma é empurrado. É uma região impossível de estudar com satélites, já que o arrasto atmosférico nessas altitudes fará com que a espaçonave volte a entrar na atmosfera.
A pesquisa do meteoro foi publicada em junho de 2021 no Journal of Geophysical Research: Space Physics da American Geophysical Society.
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 derrama 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 em andamento; e também para desenvolver a capacidade de interpretar observações de alta resolução de meteoros, principalmente radar observações de meteoros “, disse o co-autor 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 olhando quando vemos essas medições não é tão fácil de entender.”
As simulações no papel basicamente configuram uma caixa que representa um pedaço da atmosfera. No meio da caixa, um minúsculo meteoro é colocado, expelindo átomos. As simulações de partícula em célula, de diferença finita no domínio do tempo, foram usadas para gerar distribuições de densidade do plasma gerado por átomos de meteoros à medida que seus elétrons são arrancados 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, em seguida, é varrido para trás do meteoróide. Isso é o que o radar observa. Queremos ser capazes de ir desde o que o radar observou até o quão grande aquele meteoróide é. As simulações nos permitem fazer a engenharia reversa disso. ”
O objetivo é poder olhar a intensidade do sinal das observações do radar e obter características físicas do meteoro, como tamanho e composição.
“Até agora, tivemos apenas estimativas muito grosseiras disso. As simulações nos permitem ir além das estimativas grosseiras simples”, disse Oppenheim.
?A teoria analítica funciona muito bem quando você pode dizer: ‘Tudo bem, esse único fenômeno está acontecendo, independentemente desses outros fenômenos.’ Mas quando tudo está acontecendo ao mesmo tempo, fica muito confuso. As simulações se tornam a melhor ferramenta “, disse Oppenheim.
Oppenheim foi premiado como supercomputador pelo Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) no supercomputador Stampede2 da TACC para as 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 essa pesquisa possível ao tornar mais fácil para mim, os alunos e os associados de pesquisa tirar proveito dos supercomputadores.”
“Os sistemas estão funcionando bem”, acrescentou. “Usamos muitos pacotes matemáticos e pacotes de armazenamento de dados. Eles estão todos pré-compilados e prontos para usarmos no XSEDE. Eles também têm uma boa documentação. E a equipe do XSEDE tem sido muito boa. Quando nos deparamos com um gargalo ou obstáculo , eles são muito úteis. É um recurso excelente de se ter. ”
Os astrônomos estão muito à frente de onde estavam 20 anos atrás em termos de serem capazes de modelar a ablação de meteoros. Oppenheim se referiu a um estudo de 2020 conduzido pela estudante Gabrielle Guttormsen, da Universidade de Boston, que simula a ablação de minúsculos meteoros para ver quão rápido ele se aquece e quanto material borbulha.
A física de ablação de meteoros é muito difícil de fazer com cálculos de papel e caneta, porque meteoros são incrivelmente heterogêneos, disse Oppenheim. “Você está essencialmente modelando explosões. Toda essa física está acontecendo em milissegundos, centenas de milissegundos para as 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 da interação dos átomos quando as moléculas de ar se chocam contra eles. Os meteoros viajam frequentemente a velocidades ferozes de 50 quilômetros por segundo ou mesmo até 70 quilômetros por segundo.
Oppenheim delineou três tipos diferentes de simulações que está conduzindo para atacar o problema da ablação de meteoros. Primeiro, ele usa a dinâmica molecular, que olha para átomos individuais conforme as moléculas de ar se chocam contra as pequenas partículas na resolução de picossegundos.
Em seguida, ele usa um simulador diferente para observar o que acontece quando essas moléculas voam para longe e, em seguida, as moléculas independentes se chocam com as moléculas de ar e se tornam um plasma com radiação eletromagnética. Finalmente, ele pega aquele plasma e lança um radar virtual nele, ouvindo os ecos ali.
Até agora, ele não conseguiu combinar essas três simulações em uma. É o que ele descreve como um ‘problema rígido’, com muitas escalas de tempo para a tecnologia de hoje lidar com uma simulação autoconsistente.
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. “Stampede2 é bom para muitos testes menores, mas se você tem algo realmente grande, Frontera foi 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 brinquedos simplificados. Em última análise, eles são uma ferramenta para testar ideias numericamente e chegar a um melhor entendimento da natureza da física dos meteoros e de tudo no universo . “
Publicado em 22/10/2021 21h21
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