I himlen ovan regnar det smuts.

Varje sekund träffar miljontals bitar av smuts som är mindre än ett sandkorn jordens övre atmosfär. På cirka 100 kilometers höjd susar dammbitar, främst skräp från asteroidkollisioner, genom himlen och förångas när de går 10 till 100 gånger snabbare än en kula. De större kan göra streck på himlen, meteorer som tar andan ur oss.

Forskare använder superdatorer för att hjälpa till att förstå hur små meteorer, osynliga för blotta ögat, frigör elektroner som kan detekteras av radar och kan karakterisera hastigheten, riktningen och hastigheten för meteorretardationen med hög precision, vilket gör att dess ursprung kan bestämmas. Eftersom detta fallande rymddamm hjälper till att bilda regnbildande moln, kommer denna grundforskning om meteorer att hjälpa forskare att bättre förstå kemin i jordens atmosfär. Dessutom hjälper meteorsammansättningen astronomer att karakterisera rymdmiljön i vårt solsystem.

Meteorer spelar en viktig roll i den övre atmosfäriska vetenskapen, inte bara för jorden utan också för andra planeter. De gör det möjligt för forskare att kunna diagnostisera vad som finns i luften med hjälp av pulserande laserfjärravkänningslidar, som studsar av meteordamm för att avslöja temperaturen, densiteten och vindarna i den övre atmosfären.

Forskare spårar också med radar plasman som genereras av meteorer, och bestämmer hur snabbt vindarna rör sig i den övre atmosfären genom hur snabbt plasmat skjuts runt. Det är en region som är omöjlig att studera med satelliter, eftersom luftmotståndet på dessa höjder kommer att få rymdfarkosten att återinträda i atmosfären.

Meteorforskningen publicerades i juni 2021 i Journal of Geophysical Research:Space Physics från American Geophysical Society.

I den utvecklade huvudförfattaren Glenn Sugar vid Johns Hopkins University datorsimuleringar för att modellera fysiken av vad som händer när en meteor träffar atmosfären. Meteoren värms upp och avger material med hypersoniska hastigheter i en process som kallas ablation. Det utgjutna materialet smäller in i atmosfäriska molekyler och förvandlas till glödande plasma.

"Vad vi försöker göra med simuleringarna av meteorerna är att efterlikna den mycket komplexa ablationsprocessen, för att se om vi förstår fysiken som pågår; och för att också utveckla förmågan att tolka högupplösta observationer av meteorer, främst radar. observationer av meteorer", säger studiens medförfattare Meers Oppenheim, professor i astronomi vid Boston University.

Stora radarskålar, som det ikoniska men nu nedlagda Arecibo radarteleskopet, har registrerat flera meteorer per sekund i en liten liten del av himlen. Enligt Oppenheim betyder detta att jorden träffas av miljoner och åter miljoner meteorer varje sekund.

"Att tolka dessa mätningar har varit knepigt," sa han. "Att veta vad vi tittar på när vi ser dessa mätningar är inte så lätt att förstå."

Simuleringarna i tidningen skapar i princip en låda som representerar en bit av atmosfären. I mitten av lådan placeras en liten meteor som spyr ut atomer. Simuleringarna av partikel-i-cell, tidsdomän med ändlig skillnad användes för att generera densitetsfördelningar av plasma som genereras av meteoratomer när deras elektroner avlägsnas vid kollisioner med luftmolekyler.

"Radarer är verkligen känsliga för fria elektroner," förklarade Oppenheim. "Man gör en stor konisk plasma som utvecklas omedelbart framför meteoroiden och sedan svepas ut bakom meteoroiden. Det är då vad radarn observerar. Vi vill kunna gå från vad radarn har observerat tillbaka till hur stor den meteoroiden är. Simuleringarna gör att vi kan omvända det."

Målet är att kunna titta på signalstyrkan för radarobservationer och kunna få fysiska egenskaper på meteoren, såsom storlek och sammansättning.

"Hittills har vi bara haft väldigt grova uppskattningar av det. Simuleringarna tillåter oss att gå längre än de enkla grova uppskattningarna," sa Oppenheim.

"Analytisk teori fungerar riktigt bra när man kan säga "Okej, det här enstaka fenomenet händer, oberoende av dessa andra fenomen." Men när allt händer på en gång blir det så rörigt. Simuleringar blir det bästa verktyget, säger Oppenheim.

Oppenheim tilldelades superdatortid av Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) på TACCs Stampede2 superdator för meteorsimuleringarna.

"Nu kan vi verkligen använda kraften i Stampede2 - dessa gigantiska superdatorer - för att utvärdera meteorablation i otrolig detalj," sa Oppenheim. "XSEDE gjorde den här forskningen möjlig genom att göra det enkelt för mig, studenterna och forskarkolleger att dra fördel av superdatorerna."

"Systemen är välskötta", tillade han. "Vi använder många matematiska paket och datalagringspaket. De är alla förkompilerade och redo för oss att använda på XSEDE. De har också bra dokumentation. Och XSEDE-personalen har varit mycket bra. När vi stöter på en flaskhals eller ett hinder , de är väldigt hjälpsamma. Det har varit en fantastisk tillgång att ha."

Astronomer är stora steg före där de var för 20 år sedan när det gäller att kunna modellera meteorablation. Oppenheim hänvisade till en studie från 2020 ledd av Gabrielle Guttormsen av Boston University som simulerar en liten meteorablation för att se hur snabbt den värms upp och hur mycket material som bubblar bort.

Meteorablationsfysik är mycket svårt att göra med penna och papper beräkningar, eftersom meteorer är otroligt inhomogena, sa Oppenheim. "Du modellerar i huvudsak explosioner. All denna fysik sker på millisekunder, hundratals millisekunder för de större, och för boliderna, de gigantiska eldkloten som kan hålla i några sekunder, vi pratar sekunder. De är explosiva händelser ."

Oppenheims team modellerar ablation hela vägen från pikosekunder, vilket är tidsskalan för meteoren som sönderfaller och atomerna interagerar när luftmolekylerna smäller in i dem. Meteorerna färdas ofta med våldsamma hastigheter på 50 kilometer i sekunden eller till och med upp till 70 kilometer i sekunden.

Oppenheim beskrev tre olika typer av simuleringar som han genomför för att attackera meteorablationsproblemet. Först använder han molekylär dynamik, som tittar på individuella atomer när luftmolekylerna smäller in i de små partiklarna med pikosekunders tidsupplösning.

Därefter använder han en annan simulator för att se vad som händer när dessa molekyler sedan flyger iväg, och sedan slår de oberoende molekylerna in i luftmolekylerna och blir ett plasma med elektromagnetisk strålning. Till slut tar han plasman och skickar en virtuell radar mot den och lyssnar efter ekon där.

Hittills har han inte kunnat kombinera dessa tre simuleringar till en. Det är vad han beskriver som ett "stelt problem", med för många tidsskalor för dagens teknik att hantera en självkonsekvent simulering.

Oppenheim sa att han planerar att ansöka om superdatortid på TACC:s NSF-finansierade Frontera superdator, den snabbaste akademiska superdatorn på planeten. "Stampede2 är bra för många mindre testkörningar, men om du har något riktigt massivt är Frontera avsedd för det", sa han.

Oppenheim sa:"Superdatorer ger forskare kraften att i detalj undersöka de verkliga fysiska processerna, inte förenklade leksaksmodeller. De är i slutändan ett verktyg för att numeriskt testa idéer och komma till en bättre förståelse av meteorfysikens natur och allt i universum. ."