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一顆肉丸子+黃綠紅三色義大利麵=全球磁場模擬

2012/02/20 | | 標籤:

守時又規律的太陽,自古提供著一些讓人類生活得以延續的最重要功能:日升、日落,農作物生長收成,全都仰賴它,幾大古文明皆以太陽神崇拜為其文化。不過,影響力強大如太陽的狠角色,如果可能,最好還是跟它保持安全距離。太陽裡面是個充滿暴力現象的地方,而它的磁場和熔合能量,透過羽毛狀的輻射,會向外輸出、噴向外太空、威脅地球,這正是有些研究太空物理學的專家們所稱之為「太空天氣」的現象變化。

還好地球有磁極(=磁層)!扮演了防護罩的角色,幫我們抵擋不少來勢洶洶的輻射。不過,不巧的是,磁層這個防護罩並非總是萬能,偶爾太陽所釋放出的來的離子氣體,也就是電漿,還是能藉由所謂「磁力線重連」(簡稱「磁重連」),滲透進入地球的保護層以內,於是極地地區就發生極光現象、有時會影響到日常必用的電子產品設備,有時造成局部地區電網癱瘓,這些事故總帶來人們的驚慌並引發關注。而根據統計,目前為止,在太陽風暴的翻雲覆雨下,已經有總價值達40億的衛星設備因惡劣的太空天氣而受損。飛行航道靠近極區的民航機乘客,隨著飛越極區的機會增加,暴露在更多輻射能量下的風險也相對提高,曾幾何時,人們恭敬膜拜的太陽神,到了今天,已成避之唯恐不及的人類一大安全隱憂。

不過就算太陽風暴一旦發生,帶來強大傷害力的輻射還是需要約1~5天才會抵達地球。地球人只要預先知道它正在朝地球方向發動襲擊,其實有滿多時間可以準備應變,情況並不是真的那麼糟糕。重點在於發展出很強的預測能力。

執教於加州聖地牙哥大學 (University of California-San Diego,以下簡稱UCSD) 的一位太空物理學者Homa Karimabadi,目前和美國Los Almos國家實驗室聯合運用OLCF這所研究中心裡,一臺代號Jaguar Cray XT5 的超級電腦,希望更快能窺見「太空天氣」這扇門後的一切風雲變幻。頭頂著當今「算得最快」光環的超級電腦,共有22.4萬顆處理器核心,速度峰值可達2.33 petaflops。目前Karimabadi團隊已經使用超級電腦並花了一共近3千萬個處理器小時的時數,用來計算在地-日磁層間透過電漿進行的那些互動交流究竟是如何發生、兩者如何相遇,並且在極為逼真的細節上,鉅細靡遺地加以呈現。目前所得到的模擬結果中,最重要的發現就是:「擾流現象在磁層中幾乎無所不在!」擾流是個很重要的線索,因為它意味著電漿和磁場間有效率地進行合成。太陽風暴或「太空天氣」議題所關心的核心焦點,關鍵之一正在於能清楚地看得見:太陽發出的電漿/磁場如何能穿透且達到與地球磁層,它是如何與地球的電漿和磁場融合為一。

此外,這3千萬小時的運算結果如何能做一番良好的視覺呈現,令大眾都能一目瞭然,這也是該計畫本身的另一大挑戰。就這個部份,他們必須向另一個美國國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)尋求協助,並且做些特殊處理,方法是:將來自太陽風及太陽磁層的磁場特別標記為特定顏色,如此一來,對追蹤所謂「融合」發生程度的多寡疏密就能輕鬆不少。(這也是我們看到黃綠紅三色義大利麵這幅有趣圖像背後的努力之一)

Karimabadi鑽研地球磁場球體模擬此道已15年,根據他說,本次模擬結果已經算得上是「相當」逼真:在此之前的模擬,因為受限於運算能力瓶頸,在模擬完整地球球體磁層時,基本上只能把所有電漿全視為「一種液體」,並以「磁性流體動力學」的模型處理之,不過,代價當然是精確度上失真很多,因為其中關鍵的磁重連過程裡,究竟發生哪些一連串效應,只能一概視若無睹,選擇加以「忽略」(因為要仔細看則需要極龐大的運算力,超過設備能力的極限)。

新一代超級電腦跨入petascale等級以後,開始有機會不僅可以處理「磁重連」模型,甚至是構成電漿(即離子氣體)的每一顆太陽所噴發的粒子,都可一一個別模擬計算(=可處理「動力學效應」模型)。看清楚電漿裡的電子和離子如何旋轉和軌道等細節,是深入了解電漿的基礎,不過,模型中牽涉到的粒子總數,必然是超乎想像的龐大。雖然現階段的計算能力已經開始能夠把離子視同粒子,但電子的部分,卻還是必須把它當成「一種液體」看待,儘管如此,這已經大幅提昇了解析度,開始看得見一些細節。

認識望遠鏡的人都知道,以肉眼看土星只看到一個模糊的球,較高解析力的望遠鏡可以讓你看到土星環和其他更細部的結構。舉例來說,2006年時的科技所能夠處理的最大規模模擬運算模型,可容納約10億個粒子,現在已經進步到可處理3.2兆顆粒子,意思也就是,現在的模型可以在一個總數不超過3.2兆顆粒子的區域內處理磁重連現象的模擬計算,這算是開始觀察磁重聯這個神祕現象的重要里程碑,目前為止已取得的成果是,發驗大量的電子-離子結構和擾流現象。現階段,他們採用的策略是放大磁層中特定局部區域來了解更多細節。這種「模擬局部」的策略,不僅可以研究磁重聯,同時還充分保留了完整電子效應的呈現。這用來「大小通吃」的巧妙方法是:整合H3D和VPIC這兩套具互補性質的程式碼。

由UCSD本身所開發的H3D程式可從大處著眼,處理完整全球模型,視離子為粒子,電子則為液體,由Los Almos 國家實驗室所開發的VPIC則像一支放大鏡,只處理局部,不過卻呈現出將每一個單一個別的離子和電子均視為粒子的深度細節模擬結果。

Petascale的下一代將是 “exascale”,屆時速度峰值可達10~20個petaflops。將電子和離子「全面一律視為個別粒子」來進行計算的全球體地球磁層3D真實模擬,或許到時候就可以實現了。再等一等。(Lauren譯)

圖說:這是宇宙版的現代藝術畫展嗎?不同角度的三維立體圖是透過電腦程式加上高速運算,模擬得出全球磁層和大尺度「磁繩」(flux ropes)如何形成,並予以圖像化的結果。看起來很像一顆肉丸(地球)加上黃綠紅三色義大利麵!這是怎麼回事?一個叫做磁力線重聯的過程,會造成這裡所見到的「磁繩」,每條繩都像一個通道,使太陽風能滲透並進入地球磁層。圖片來源: Homa Karimabadi, University of California, San Diego; Burlen Loring, University of California, Berkeley

資料來源:中研院天文網[2012.02.15]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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