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Nei cieli sopra, piove terra.

Ogni secondo, milioni di pezzi di terra più piccoli di un granello di sabbia colpiscono l’atmosfera superiore della Terra. A circa 100 chilometri di altitudine, frammenti di polvere, principalmente detriti di collisioni di asteroidi, sfrecciano nel cielo vaporizzandosi mentre vanno da 10 a 100 volte la velocità di un proiettile. I più grandi possono fare striature nel cielo, meteore che ci tolgono il fiato.

Gli scienziati stanno utilizzando i supercomputer per aiutare a capire come minuscole meteore, invisibili ad occhio nudo, liberano elettroni che possono essere rilevati dal radar e possono caratterizzare la velocità, la direzione e la velocità di decelerazione delle meteore con elevata precisione, consentendo di determinarne l’origine. Poiché questa polvere spaziale che cade aiuta a seminare nuvole che producono pioggia, questa ricerca di base sulle meteore aiuterà gli scienziati a comprendere più pienamente la chimica dell’atmosfera terrestre. Inoltre, la composizione delle meteore aiuta gli astronomi a caratterizzare l’ambiente spaziale del nostro sistema solare.

Le meteore svolgono un ruolo importante nella scienza dell’atmosfera superiore, non solo per la Terra ma anche per altri pianeti. Consentono agli scienziati di essere in grado di diagnosticare cosa c’è nell’aria utilizzando il lidar di telerilevamento laser pulsato, che rimbalza sulla polvere di meteoriti per rivelare la temperatura, la densità e i venti dell’alta atmosfera.

Gli scienziati tracciano anche con il radar il plasma generato dalle meteore, determinando la velocità con cui i venti si muovono nell’alta atmosfera in base alla velocità con cui viene spinto il plasma. È una regione impossibile da studiare con i satelliti, poiché la resistenza atmosferica a queste altitudini farà sì che il veicolo spaziale rientri nell’atmosfera.

La ricerca sulla meteora è stata pubblicata nel giugno 2021 nel Journal of Geophysical Research: Space Physics della Società Geofisica Americana.

In esso, l’autore principale Glenn Sugar della Johns Hopkins University ha sviluppato simulazioni al computer per modellare la fisica di ciò che accade quando una meteora colpisce l’atmosfera. La meteora si riscalda e rilascia materiale a velocità ipersoniche in un processo chiamato ablazione. Il materiale sparso si scontra con le molecole atmosferiche e si trasforma in plasma incandescente.

“Quello che stiamo cercando di fare con le simulazioni delle meteore è imitare quel processo molto complesso di ablazione, per vedere se capiamo la fisica in corso; e sviluppare anche la capacità di interpretare le osservazioni ad alta risoluzione di meteore, principalmente osservazioni radar di meteore”, ha affermato il coautore dello studio Meers Oppenheim, professore di astronomia alla Boston University.

Grandi parabole radar, come l’iconico ma ormai defunto telescopio radar Arecibo, hanno registrato più meteore al secondo in un piccolo pezzo di cielo. Secondo Oppenheim, questo significa che la Terra viene colpita da milioni e milioni di meteore ogni secondo.

Cosa succede quando una meteora colpisce l'atmosfera?
Distribuzioni rappresentative della frequenza del plasma utilizzate nelle simulazioni di ablazione meteorica. Credito: Zucchero et al.

“Interpretare quelle misurazioni è stato complicato”, ha detto. “Sapere cosa stiamo guardando quando vediamo queste misurazioni non è così facile da capire.”

Le simulazioni nell’articolo creano fondamentalmente una scatola che rappresenta un pezzo di atmosfera. Al centro della scatola è collocata una minuscola meteora che emette atomi. Le simulazioni particella-in-cella, nel dominio del tempo a differenze finite, sono state utilizzate per generare distribuzioni di densità del plasma generato dagli atomi di meteoriti quando i loro elettroni vengono strappati via in collisioni con le molecole d’aria.

“I radar sono molto sensibili agli elettroni liberi”, ha spiegato Oppenheim. “Fai un grande plasma conico che si sviluppa immediatamente davanti al meteoroide e poi viene spazzato via dietro il meteoroide. Questo è ciò che osserva il radar. Vogliamo essere in grado di tornare da ciò che il radar ha osservato a quanto è grande quel meteoroide. Le simulazioni ci consentono di decodificare tutto ciò”.

L’obiettivo è essere in grado di esaminare la potenza del segnale delle osservazioni radar ed essere in grado di ottenere caratteristiche fisiche sulla meteora, come le dimensioni e la composizione.

“Finora abbiamo avuto solo stime molto rozze al riguardo. Le simulazioni ci consentono di andare oltre le semplici stime approssimative”, ha affermato Oppenheim.

“La teoria analitica funziona molto bene quando puoi dire: ‘Ok, questo singolo fenomeno sta accadendo, indipendentemente da questi altri fenomeni.’ Ma quando succede tutto in una volta, diventa così disordinato. Le simulazioni diventano lo strumento migliore”, ha affermato Oppenheim.

Oppenheim è stato premiato con il tempo del supercomputer dall’Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) sul supercomputer Stampede2 di TACC per le simulazioni di meteoriti.

“Ora siamo davvero in grado di utilizzare la potenza di Stampede2, questi giganteschi supercomputer, per valutare l’ablazione meteorica con dettagli incredibili”, ha affermato Oppenheim. “XSEDE ha reso possibile questa ricerca rendendo facile per me, gli studenti e i ricercatori trarre vantaggio dai supercomputer”.

“I sistemi sono ben gestiti”, ha aggiunto. “Utilizziamo molti pacchetti matematici e pacchetti di archiviazione dati. Sono tutti precompilati e pronti per essere utilizzati su XSEDE. Hanno anche una buona documentazione. E lo staff di XSEDE è stato molto bravo. Quando incontriamo un collo di bottiglia o un ostacolo, sono molto utili. È stata una risorsa formidabile da avere.”

Cosa succede quando una meteora colpisce l'atmosfera?
Stampede2 è una risorsa assegnata dalla National Science Foundation (NSF), finanziata dall’Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE). Credito: TACC

Gli astronomi hanno fatto passi da gigante rispetto a 20 anni fa in termini di capacità di modellare l’ablazione delle meteore. Oppenheim ha fatto riferimento a uno studio del 2020 condotto dalla laureanda dell’Università di Boston Gabrielle Guttormsen che simula l’ablazione di minuscole meteore per vedere quanto velocemente si riscalda e quanto materiale bolle via.

La fisica dell’ablazione delle meteore è molto difficile da fare con i calcoli di carta e penna, perché le meteore sono incredibilmente disomogenee, ha detto Oppenheim. “Essenzialmente stai modellando le esplosioni. Tutta questa fisica sta accadendo in millisecondi, centinaia di millisecondi per quelli più grandi, e per i bolidi, le gigantesche palle di fuoco che possono durare pochi secondi, stiamo parlando di secondi. Sono eventi esplosivi».

Il team di Oppenheim modella l’ablazione a partire da picosecondi, che è la scala temporale della disintegrazione della meteora e dell’interazione degli atomi quando le molecole d’aria vi colpiscono. Le meteore viaggiano spesso a velocità feroci di 50 chilometri al secondo o anche fino a 70 chilometri al secondo.

Oppenheim ha delineato tre diversi tipi di simulazioni che sta conducendo per attaccare il problema dell’ablazione meteorica. In primo luogo, usa la dinamica molecolare, che osserva i singoli atomi mentre le molecole d’aria si scontrano con il piccole particelle alla risoluzione in tempo di picosecondi.

Successivamente, usa un simulatore diverso per osservare cosa succede mentre quelle molecole volano via, e poi le molecole indipendenti si schiantano contro le molecole d’aria e diventano un plasma con radiazioni elettromagnetiche. Alla fine, prende quel plasma e gli lancia un radar virtuale, ascoltando gli echi lì.

Finora, non è stato in grado di combinare queste tre simulazioni in una. È quello che descrive come un “problema difficile”, con troppi tempi perché la tecnologia odierna possa gestire una simulazione autoconsistente.

Oppenheim ha detto che intende fare domanda per il tempo del supercomputer sul supercomputer Frontera del TACC, finanziato dall’NSF, il supercomputer accademico più veloce del pianeta. “Stampede2 va bene per molti test più piccoli, ma se hai qualcosa di veramente imponente, Frontera è pensato per questo”, ha detto.

Oppenheim ha detto: “I supercomputer danno agli scienziati il ​​potere di indagare in dettaglio i processi fisici reali, non modelli giocattolo semplificati. Sono in definitiva uno strumento per testare numericamente le idee e arrivare a una migliore comprensione della natura della fisica delle meteore e di tutto ciò che è nell’universo.

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