“Existem apenas dois desastres naturais que podem afetar todos os EUA”, de acordo com Gabor Toth, professor de Clima e Ciências Espaciais e Engenharia da Universidade de Michigan. "Um éuma pandemia e o outro éum evento clima¡tico espacial extremo."

No momento, estamos vendo os efeitos do primeiro em tempo real.

O último grande evento clima¡tico espacial atingiu a Terra em 1859. Eventos clima¡ticos espaciais menores, mas ainda significativos, ocorrem regularmente. Esses eletra´nicos frios e redes de energia interrompem os sistemas de posicionamento global, causammudanças no alcance da Aurora Borealis e aumentam o risco de radiação para astronautas ou passageiros em aviaµes que cruzam os pa³los.

“Temos todos esses ativos tecnola³gicos que estãoem risco”, disse Toth. "Se um evento extremo como o de 1859 acontecesse novamente, destruiria completamente a rede elanãtrica e os sistemas de satanãlite e comunicações - os riscos são muito maiores."

Motivados pela Estratanãgia e Plano de Ação Nacional para o Clima Espacial da Casa Branca e pela Iniciativa de Computação Estratanãgica Nacional, em 2020 a National Science Foundation (NSF) e a NASA criaram o programa Clima Espacial com Incertezas Quantificadas (SWQU). Ele reaºne equipes de pesquisa de várias disciplinas cienta­ficas para fazer avana§ar as análises estata­sticas mais recentes e os manãtodos de computação de alto desempenho no campo da modelagem do clima espacial.

"Estamos muito orgulhosos de ter lana§ado os projetos SWQU reunindo experiência e suporte em vários doma­nios cienta­ficos em um esfora§o conjunto entre a NSF e a NASA", disse Vyacheslav (Slava) Lukin, Diretor do Programa de Fa­sica do Plasma da NSF. “A necessidade éreconhecida hálgum tempo, e o portfa³lio de seis projetos, o de Gabor Toth entre eles, envolve não apenas os principais grupos universita¡rios, mas também Centros da NASA, Departamento de Defesa e Laborata³rios Nacionais do Departamento de Energia, além de laboratórios privados setor."

Toth ajudou a desenvolver o modelo preeminente de previsão do clima espacial atual, que éusado para previsaµes operacionais pela Administração Ocea¢nica e Atmosfanãrica Nacional (NOAA). Em 3 de fevereiro de 2021, a NOAA começou a usar o Geospace Model Version 2.0, que faz parte da Estrutura de Modelagem do Clima Espacial da Universidade de Michigan, para prever distúrbios geomagnanãticos.

"Estamos constantemente melhorando nossos modelos", disse Toth. O novo modelo substitui a versão 1.5, que estãoem operação desde novembro de 2017. “A principal mudança na versão 2 foi o refinamento da grade numanãrica da magnetosfera, diversas melhorias nos algoritmos e uma recalibração dos parametros empa­ricos”.

O modelo geoespacial ébaseado em uma representação global do ambiente geoespacial da Terra que inclui magnetohidrodina¢mica - as propriedades e o comportamento de fluidos condutores de eletricidade, como plasma interagindo com campos magnanãticos, que desempenha um papel fundamental na dina¢mica do clima espacial.

O modelo geoespacial prevaª distúrbios magnanãticos no solo resultantes de interações geoespaciais com o vento solar. Tais distúrbios magnanãticos induzem um campo geoelanãtrico que pode danificar condutores elanãtricos em grande escala, como a rede elanãtrica.

O alerta avana§ado de curto prazo do modelo fornece aos meteorologistas e operadores de rede elanãtrica consciência situacional sobre correntes prejudiciais e da¡ tempo para mitigar o problema e manter a integridade da rede elanãtrica, anunciou a NOAA no momento do lana§amento.

Por mais avana§ado que seja o modelo geoespacial, ele fornece apenas cerca de 30 minutos de aviso prévio. A equipe de Toth éum dos vários grupos que trabalham para aumentar o prazo de entrega para um a três dias. Fazer isso significa entender como a atividade nasuperfÍcie do Sol leva a eventos que podem impactar a Terra.

"No momento, estamos usando dados de um satanãlite que mede os parametros do plasma a um milha£o de milhas da Terra", explicou Toth. Os pesquisadores esperam comea§ar a partir do Sol, usando a observação remota dasuperfÍcie do Sol - em particular, ejeções de massa coronal que produzem chamas que são visa­veis em raios-X e luz ultravioleta. "Isso acontece no ini­cio do Sol. A partir desse ponto, podemos executar um modelo e prever o tempo de chegada e o impacto dos eventos magnanãticos."

Melhorar o tempo de espera das previsaµes meteorola³gicas espaciais requer novos manãtodos e algoritmos que podem ser computados com muito mais rapidez do que os usados ​​hoje e podem ser implantados com eficiência em computadores de alto desempenho. Toth usa o supercomputador Frontera no Texas Advanced Computing Center - o sistema acadêmico mais rápido do mundo e o danãcimo mais poderoso no geral - para desenvolver e testar esses novos manãtodos.

“Eu me considero muito bom no desenvolvimento de novos algoritmos”, disse Toth. "Eu os aplico a  física espacial, mas muitos dos algoritmos que desenvolvo são mais gerais e não se restringem a uma aplicação."

Uma melhoria algora­tmica chave feita por Toth envolveu encontrar uma nova maneira de combinar os aspectos cinanãticos e fluidos dos plasmas em um modelo de simulação . "As pessoas tentaram antes e falharam. Mas nosfizemos funcionar. Na³s vamos um milha£o de vezes mais rápido do que as simulações de força bruta, inventando aproximações e algoritmos inteligentes", disse Toth.

O novo algoritmo adapta dinamicamente o local coberto pelo modelo cinanãtico com base nos resultados da simulação. O modelo identifica as regiaµes de interesse e posiciona o modelo cinanãtico e os recursos computacionais para focaliza¡-las. Isso pode resultar em uma aceleração de tempo de 10 a 100 para modelos de clima espacial.

Como parte do projeto NSF SWQU, Toth e sua equipe tem trabalhado para fazer a Estrutura de Modelagem do Clima Espacial funcionar de forma eficiente em futuros supercomputadores que dependem fortemente de unidades de processamento gra¡fico (GPUs). Como primeiro objetivo, eles se propuseram a portar o modelo geoespacial para GPUs usando o compilador NVIDIA Fortran com diretivas OpenACC.

Recentemente, eles conseguiram executar o modelo geoespacial completo mais rápido do que em tempo real em uma única GPU. Eles usaram a ma¡quina Longhorn habilitada para GPU da TACC para atingir esse marco. Para executar o modelo com a mesma velocidade em um supercomputador tradicional, são necessa¡rios pelo menos 100 núcleos de CPU.

"Demorou um ano inteiro de desenvolvimento de ca³digo para fazer isso acontecer, disse Toth." O objetivo éexecutar um conjunto de simulações de forma rápida e eficiente para fornecer uma previsão do tempo espacial probabila­stica . "

Este tipo de previsão probabila­stica éimportante para outro aspecto da pesquisa de Toth: a localização de previsaµes em termos do impacto nasuperfÍcie da Terra.

"Devemos nos preocupar em Michigan ou apenas no Canada¡? Qual éa corrente induzida máxima que transformadores específicos ira£o experimentar? Por quanto tempo os geradores precisara£o ser desligados? Para fazer isso com precisão, vocêprecisa de um modelo em que acredite", disse ele. "Seja o que for que prevamos, sempre hálguma incerteza. Queremos dar previsaµes com probabilidades precisas, semelhantes a s previsaµes do tempo terrestre."

Toth e sua equipe executam seu ca³digo em paralelo em milhares de núcleos no Frontera para cada simulação. Eles planejam executar milhares de simulações nos pra³ximos anos para ver como os parametros do modelo afetam os resultados para encontrar os melhores parametros do modelo e ser capaz de anexar probabilidades aos resultados da simulação.

"Sem o Frontera, não acho que podera­amos fazer essa pesquisa", disse Toth. "Quando vocêreaºne pessoas inteligentes e grandes computadores, grandes coisas podem acontecer."

O modelo Michigan Sun-to-Earth, incluindo o SWMF Geospace e a nova porta da GPU, estãodispona­vel como ca³digo-fonte aberto em https://github.com/MSTEM-QUDA .