據外媒報導，太陽表面充滿了能量並經常向地球噴射大量的高磁化等離子體。有時，這些噴射物的強度足以穿透磁層–保護地球的天然磁屏蔽–破壞衛星或電網。這種空間天氣事件可能是災難性的。幾個世紀以來，天文學家對太陽活動的研究越來越深入。現在，計算機是了解太陽行為及其在空間天氣事件中的作用的核心。

美國兩黨合作的《PROSWIFT（促進空間天氣研究和觀測以改善未來預測）法案》於2020年10月通過成為法律，該法案使得開發更好的空間天氣預測工具的必要性正式確立。

阿拉巴馬州亨茨維爾大學空間科學的傑出教授Nikolai Pogorelov表示：“空間天氣需要實時產品，這樣我們才能在事件發生前預測影響，而不僅僅是在事件發生後。這個主題–跟國家太空計劃、環境和其他問題有關–最近升級到了一個更高的水平。”據悉，他已經使用計算機研究空間天氣數十年了。

對許多人來說，空間天氣似乎是一個遙遠的問題，但就像一種流行病–我們知道這是可能的和災難性的–我們可能直到為時已晚才意識到它的危險。

Pogorelov指出：“我們沒有想到，電子通信、GPS和日常用品都可能受到極端太空天氣的影響。”

此外，美國正在計劃其他行星和月球的任務。所有這些都需要非常精確的空間天氣預測–用於宇宙飛船的設計並向宇航員發出極端事件的警報。

在美國國家科學基金會(NSF)和NASA的資助下，Pogorelov領導了一個致力於提高空間天氣預報的先進水平的團隊。

NSF大氣和地球空間科學部空間天氣項目主任Mangala Sharma表示：“這項研究結合了複雜的科學、先進的計算技術和令人興奮的觀測，其將促進我們對太陽如何驅動空間天氣及其對地球的影響的理解。這項工作將幫助科學家預測太空天氣事件並建立我們國家抵禦這些潛在自然災害的能力。”

這項多機構合作的工作包括NASA戈達德和馬歇爾太空飛行中心、勞倫斯伯克利國家實驗室及兩家私營公司–預測科學公司和空間系統研究公司。

Pogorelov使用Frontera超級計算機在德克薩斯高級計算中心(TACC)–全球第九快–及在位於NASA艾姆斯研究中心的NASA先進超級計算機(NAS)設施和聖地亞哥超級計算中心來提高核心空間天氣預報的模型和方法。

湍流在太陽風和日冕物質拋射的動力學中起著關鍵作用。這一複雜的現像有許多方面，包括激波-湍流相互作用和離子加速的作用。

“太陽等離子體並不處於熱平衡狀態。這創造了有趣的特徵，”Pogorelov說道。。

Pogorelov、Michael Gedalin（以色列內蓋夫本古里安大學）和Vadim Roytershteyn）（空間科學研究所）於2021年4月的《Astrophysical Journal》上發表的文章描述了在宇宙帶電粒子加速中逆流拾起離子的作用。回流的離子–無論是來自星際還是本地–都被磁化的太陽風等離子體吸收並從太陽向外輻射移動。

Pogorelov指出：“一些非熱粒子可以進一步加速，從而產生太陽能量粒子，這些粒子對地球上的空間天氣條件和太空中的人特別重要。”

Pogorelov在Frontera上進行了模擬從而更好地理解這一現象，並將其跟旅行者1號和旅行者2號的觀測結果進行比較。旅行者1號和旅行者2號探索了日球層的外層，現在正在提供來自本地星際介質的獨特數據。

空間天氣預報的主要焦點之一是正確預測日冕物質拋射的到來–日冕釋放的等離子體和伴隨的磁場–並確定其所攜帶的磁場方向。Pogorelov團隊對回流流離子的研究有助於實現這一目標。該研究利用基於磁通繩的磁流體力學模型預測了2012年7月12日日冕物質拋射的到達地球時間和磁場結構。

Pogorelov繼續說道：“15年前，我們對星際介質或太陽風的性質了解不多。我們現在有如此多的觀測數據，這使我們能夠驗證我們的代碼並使得它們更加可靠。”

Pogorelov是帕克太陽探測器上一個被稱為SWEAP的組件的合作研究者。該探測器每繞一圈就會靠近太陽一點，它負責提供有關太陽風特徵的新信息。

“很快，它將穿透太陽風變成超快磁聲速的臨界層，我們將獲得關於太陽風加速和傳輸的物理信息，這是我們以前從未有過的，”Pogorelov說道。

隨著探測器和其他新的觀測工具的使用，Pogorelov預計會有大量的新數據，這些數據可以為跟空間天氣預報相關的新模型提供信息並推動其發展。出於這個原因，在其基礎研究之外，Pogorelov正在開發一個軟件框架。據悉，該軟件框架是靈活的，它可以被世界各地的不同研究小組使用並可以整合新的觀測數據。“毫無疑問，在未來的幾年裡，來自光球層和日冕的數據質量將顯著提高，因為有新的數據和更複雜的數據處理方法。我們正在嘗試構建這樣一種軟件，如果用戶在新的科學任務中提出更好的邊界條件，他們將更容易整合這些信息，”Pogorelov說道。