"Det finns bara två naturkatastrofer som kan påverka hela USA, " enligt Gabor Toth, professor i klimat- och rymdvetenskap och teknik vid University of Michigan. "Den ena är en pandemi och den andra är en extrem rymdväderhändelse."

Vi ser just nu effekterna av den första i realtid.

Den sista stora rymdväderhändelsen drabbade jorden 1859. Mindre, men ändå betydelsefull, rymdväderhändelser inträffar regelbundet. Dessa stekelektronik och elnät, stör globala positioneringssystem, orsaka förändringar i området för norrskenet, och öka risken för strålning för astronauter eller passagerare på plan som korsar över polerna.

"Vi har alla dessa tekniska tillgångar som är i fara, " sa Toth. "Om en extrem händelse som den 1859 inträffade igen, det skulle fullständigt förstöra elnätet och satellit- och kommunikationssystemen – insatserna är mycket högre."

Motiverad av Vita husets nationella rymdväderstrategi och handlingsplan och National Strategic Computing Initiative, 2020 skapade National Science Foundation (NSF) och NASA programmet Space Weather with Quantified Uncertainties (SWQU). Den samlar forskarlag från olika vetenskapliga discipliner för att främja den senaste statistiska analysen och högpresterande beräkningsmetoder inom området rymdvädermodellering.

"Vi är mycket stolta över att ha lanserat SWQU-projekten genom att sammanföra expertis och stöd över flera vetenskapliga domäner i en gemensam ansträngning mellan NSF och NASA, " sa Vyacheslav (Slava) Lukin, programchefen för plasmafysik vid NSF. "Behovet har insetts under en tid, och portföljen med sex projekt, Gabor Toth är bland dem, engagerar inte bara de ledande universitetsgrupperna, men också NASA-centra, Department of Defense och Department of Energy National Laboratories, såväl som den privata sektorn."

Toth hjälpte till att utveckla dagens framstående modell för förutsägelse av rymdväder, som används för operativa prognoser av National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). Den 3 februari, 2021, NOAA började använda Geospace Model Version 2.0, som är en del av University of Michigans Space Weather Modeling Framework, för att förutsäga geomagnetiska störningar.

"Vi förbättrar ständigt våra modeller, " sa Toth. Den nya modellen ersätter version 1.5, som har varit i drift sedan november 2017. "Den huvudsakliga förändringen i version 2 var förfiningen av det numeriska rutnätet i magnetosfären, flera förbättringar av algoritmerna, och en omkalibrering av de empiriska parametrarna."

Geospace-modellen är baserad på en global representation av jordens georymdmiljö som inkluderar magnetohydrodynamik - egenskaperna och beteendet hos elektriskt ledande vätskor som plasma som interagerar med magnetfält, som spelar en nyckelroll i rymdvädrets dynamik.

Geospace-modellen förutsäger magnetiska störningar på marken till följd av georymdinteraktioner med solvind. Sådana magnetiska störningar inducerar ett geoelektriskt fält som kan skada storskaliga elektriska ledare, såsom elnätet.

Kortsiktig avancerad varning från modellen ger prognosmakare och elnätsoperatörer situationsmedvetenhet om skadliga strömmar och ger tid att mildra problemet och bibehålla integriteten hos elnätet, NOAA meddelade vid tidpunkten för lanseringen.

Så avancerad som Geospace-modellen är, den ger bara cirka 30 minuters avancerad varning. Toths team är en av flera grupper som arbetar för att öka ledtiden till en till tre dagar. Att göra det innebär att förstå hur aktivitet på solens yta leder till händelser som kan påverka jorden.

"Vi använder för närvarande data från en satellit som mäter plasmaparametrar en miljon miles från jorden, " förklarade Toth. Forskare hoppas kunna börja från solen, med fjärrobservation av solens yta – i synnerhet, koronala massutkastningar som producerar flare som är synliga i röntgenstrålar och UV-ljus. "Det händer tidigt på solen. Från den punkten, vi kan köra en modell och förutsäga ankomsttiden och effekten av magnetiska händelser."

För att förbättra ledtiden för rymdväderprognoser krävs nya metoder och algoritmer som kan beräkna mycket snabbare än de som används idag och som kan distribueras effektivt på högpresterande datorer. Toth använder Frontera superdator vid Texas Advanced Computing Center – det snabbaste akademiska systemet i världen och det 10:e mest kraftfulla totalt sett – för att utveckla och testa dessa nya metoder.

"Jag anser mig vara riktigt bra på att utveckla nya algoritmer, " Sa Toth. "Jag tillämpar dessa på rymdfysik, men många av de algoritmer jag utvecklar är mer generella och inte begränsade till en applikation."

En viktig algoritmisk förbättring gjord av Toth involverade att hitta ett nytt sätt att kombinera de kinetiska och flytande aspekterna av plasma i en simuleringsmodell. "Folk provade det förut och misslyckades. Men vi fick det att fungera. Vi går en miljon gånger snabbare än brute-force-simuleringar genom att uppfinna smarta approximationer och algoritmer, " sa Toth.

Den nya algoritmen anpassar dynamiskt platsen som täcks av den kinetiska modellen baserat på simuleringsresultaten. Modellen identifierar intresseområdena och placerar den kinetiska modellen och beräkningsresurserna för att fokusera på dem. Detta kan resultera i 10 till 100 gångers hastighet för rymdvädermodeller.

Som en del av NSF SWQU-projektet, Toth och hans team har arbetat med att få Space Weather Modeling Framework att köras effektivt på framtida superdatorer som är mycket beroende av grafiska bearbetningsenheter (GPU). Som ett första mål, de satte sig för att porta Geospace-modellen till grafikprocessorer med hjälp av NVIDIA Fortran-kompilatorn med OpenACC-direktiv.

De lyckades nyligen köra hela Geospace-modellen snabbare än i realtid på en enda GPU. De använde TACC:s GPU-aktiverade Longhorn-maskin för att nå denna milstolpe. För att köra modellen med samma hastighet på traditionell superdator krävs minst 100 CPU-kärnor.

"Det tog ett helt år av kodutveckling för att få det här att hända, sa Toth. "Målet är att köra en ensemble av simuleringar snabbt och effektivt för att ge en probabilistisk rymdväderprognos."

Denna typ av probabilistiska prognoser är viktig för en annan aspekt av Toths forskning:Lokalisering av förutsägelser när det gäller påverkan på jordens yta.

"Ska vi oroa oss i Michigan eller bara i Kanada? Vilken är den maximala inducerade ström som vissa transformatorer kommer att uppleva? Hur länge måste generatorer stängas av? För att göra detta korrekt, du behöver en modell du tror på, " sa han. "Vad vi än förutspår, det finns alltid en viss osäkerhet. Vi vill ge förutsägelser med exakta sannolikheter, liknande terrestra väderprognoser."

Toth och hans team kör sin kod parallellt på tusentals kärnor på Frontera för varje simulering. De planerar att köra tusentals simuleringar under de kommande åren för att se hur modellparametrar påverkar resultaten för att hitta de bästa modellparametrarna och för att kunna koppla sannolikheter till simuleringsresultat.

"Utan Frontera, Jag tror inte att vi skulle kunna göra den här forskningen, " Sa Toth. "När du sätter ihop smarta människor och stora datorer, stora saker kan hända."

Michigan sol-till-jord-modellen, inklusive SWMF Geospace och den nya GPU-porten, finns tillgänglig som öppen källkod på https://github.com/MSTEM-QUDA.