Uutta tietoa auringon suuren ja pienen skaalan dynamoista

Auringoksi kutsumamme sokaisevan valkoinen kiekko taivaalla on maapallon valon ja elämän lähde. Se on valtava, erittäin kuumaa liikehtivää plasmaa sisältävä pallo. Auringon pinta sylkee avaruuteen tuhansien kilometrien tulikaaria, sillä aurinko on jättimäinen magneettinen tähti, joka muodostuu sähkömagneettisten lakien mukaan liikkuvasta plasmasta.

Auringon magnetismin valtava vaikutus aurinkokuntaamme näkyy maassa esimerkiksi revontulien muodossa. Magnetismi syntyy enigmaattisessa prosessissa, jota kutsutaan auringon dynamoksi. Sitä on tähän mennessä onnistuttu kuvaamaan numeeristen mallien avulla vain kohtalaisesti. Liian yksinkertaisissa malleissa ei ole otettu huomioon monia auringossa tapahtuvia prosesseja, mikä on johtanut siihen, että simulaatiot ovat pystyneet tarjoamaan parhaimmillaan vain karkean kuvauksen ilmiöstä.

Auringon tarkempi havainnointi on viime aikoina tuottanut korvaamatonta tietoa auringon simulaatioiden parissa työskenteleville. Auringon pinnan entistä suuremman erotuskyvyn data on paljastanut aina vain pienempien magneettisten rakenteiden olemassaolon, mikä osoittaa, että aurinkoplasman voimakas turbulenssi on todennäköisesti tärkeä aurinkomagnetismin osatekijä.

Dynamon edistyneimmät mallinnusryhmät eri puolilla maailmaa ovat päässeet siihen pisteeseen, että ne voivat samanaikaisesti mallintaa auringon magnetismin kaksi keskeistä osatekijää, jotka tunnetaan suuren ja pienen skaalan dynamoina. Aalto-yliopiston professori Maarit Käpylä on johtanut PRACE-hanketta, jonka tavoitteena on parantaa nykyisiä numeerisia malleja pyrittäessä vastaamaan moniin auringon dynamoon liittyviin kiistanalaisiin kysymyksiin.

”Yksinkertaisin parannus, jonka pystyimme toteuttamaan PRACEn tarjoamien tier-0-tason resurssien ansiosta, oli simulaatioiden suorittaminen suuremmalla erotustarkkuudella, jotta voisimme ymmärtää paremmin turbulentteja virtauksia ja magneettikenttiä”, hän sanoo.

Korkeamman resoluution lisäksi yksi merkittävimmistä hankkeessa tehdyistä parannuksista oli liian yksinkertaisten lämmönjohtamismallien korvaaminen fysikaalisimmilla, jossa lämmönjohtuvuus vaihtelee systeemin tiheyden ja lämpötilan mukaan. Auringon konvektiovyöhykkeellä eli auringon sisäosan uloimmassa kerroksessa syklinen magnetismi syntyy plasman liikkeen vaikutuksesta. Tätä kutsutaan suuren skaalan dynamoksi. Useimmissa aiemmissa malleissa auringon konvektiovyöhykkeen oletettiin olevan kokonaan konvektiivinen, mutta Käpylän johtaman tutkimusryhmän mallinnusprojektissa käyttämä konsepti kumoaa tämän oletuksen.

Mallin säätäminen niin, että konvektion sallitaan kehittyä vapaammin, vaikutti merkittävästi järjestelmän dynamiikkaan. ”Parannetun mallimme ansiosta havaitsimme konvektiovyöhykkeen pohjalla kerroksen, joka ei ollut lainkaan konvektiivinen mutta joka kuitenkin kuljetti lämpöä pintaa kohti. Sen ominaisuudet ovat dynamon kannalta täysin erilaiset kuin mitä aiemmissa simulaatioissa on nähty”, Käpylä kertoo. ”Mielenkiintoista on, että äskettäin julkaistut havaintotiedot uusilla helioseismologisilla menetelmillä näyttävät viittaavan siihen, että nämä kerrokset ovat todella olemassa. Meillä oli joitakin epäilyksiä tuloksistamme tehdessämme analyysia, mutta nämä havainnot ovat saaneet meidät ymmärtämään, että olemme ehkä löytäneet auringon magneettikentän kehityksen kannalta jotain tärkeää.”

Auringon konvektiovyöhykkeen plasman liikkeistä johtuvan suuren skaalan dynamon lisäksi on olemassa toinen dynamomekanismi, jota kutsutaan pienen skaalan dynamoksi. Se luo ei-syklisen ja nopeasti vaihtelevan komponentin auringon magneettikenttään. Ennen tätä hanketta ei ollut hyvin tiedossa, missä määrin tämä pienen skaalan dynamo olisi merkittävä, mutta näiden simulaatioiden korkeampi resoluutio ja siitä seuraava intensiivisempi turbulenssi antoivat tutkijoille mahdollisuuden vahvistaa, että tällä mekanismilla voi olla merkittävä rooli auringon dynamiikassa ja sitä myötä sen magnetismissa.

”Nyt kun olemme pystyneet paikantamaan ja eristämään pienen mittakaavan magneettikenttien amplifikaation, pyrimme tutkimaan sen vaikutusta auringon kokonaisdynamiikkaan”, Käpylä sanoo. ”Väitämme, että jotta auringon dynamoa voidaan todella ymmärtää, tämä pienen mittakaavan dynamomekanismi on otettava huomioon. Olemmekin hyvin innoissamme siitä, että voimme vihdoin tutkia sitä kunnolla.”

Käpylä on osallistunut useisiin PRACE-hankkeisiin, ja meneillään oleva hanke on ollut tähän mennessä menestyksekkäin. ”Kun tehdään näitä erittäin suuria simulaatioita, kaikkea niistä saatavaa dataa ei pystytä tallentamaan”, hän sanoo.

”On vain poimittava se, mikä vaikuttaa tärkeältä, ja jatkettava sen tiedon pohjalta eteenpäin. Jälkeenpäin joutuu monesti tilanteeseen, jossa huomaa usean tärkeän diagnostiikan puuttuvan, mutta tässä hankkeessa kaikki meni suunnitelmien mukaan.”

Käpylä katsoo, että tietokoneiden ja datakeskusten muuttuessa entistä suuremmiksi ja tehokkaammiksi on lisättävä investointeja niissä käytettävien koodien optimointiin.

”Suurteholaskennan maailmassa edetään nopeasti, ja viime vuosina olemme jo joutuneet käsittelemään yhtä suurta paradigman muutosta siirryttäessä keskusyksiköiden käytöstä grafiikkasuorittimien käyttöön”, hän sanoo. ”Seuraava suuri murros on jo nurkan takana – kvanttilaskennan myötä meidän on varmistettava, että meillä on käytössämme algoritmit, joilla pystytään hyödyntämään näitä tekniikoita asianmukaisesti.”

Myönnetyt resurssit:

Hankkeelle myönnettiin 57 000 000 laskentatuntia SuperMUC-NG-supertietokoneelta, jota isännöi LRZ Saksassa.

Lisätietoja:

https://www.aalto.fi/en/department-of-computer-science/astroinformatics

Alkuperäisen artikkelin tiedot:

• Alkuperäinen artikkeli on julkaistu PRACE Digest 2021 11. julkaisussa, ja se löytyy myös löytyy PRACEn verkkosivuilta
• Alkuperäisen artikkelin on kirjoittanut Harry O’Neill Insight Media Groupilta

Kirjoittaja: Harry O’Neill