Tutkijat löysivät Auringon pinnan alta tietoa aurinkomyrskyjen syntyyn LUMI-supertietokoneen avulla
Aurinkomyrsky voi maapalloon osuessa pahimmillaan aiheuttaa mittavia ongelmia sähköverkoille, tietoliikenteelle ja paikannusjärjestelmille. Vaaralliset hiukkaspurkaukset aiheuttavat myös säteilyriskiä napalennoille ja astronauteille avaruudessa. Aurinkomyrskyt syntyvät, kun Auringon sisällä olevat magneettikentät nousevat pinnalle, voimistuvat ja synnyttävät massa- ja roihupurkauksia. Auringon magneettikentän syntymekanismi kuitenkin tunnetaan edelleen hyvin huonosti.
– Tämä osittain siksi, että ratkaistava fysikaalinen ongelma on niin monimutkainen, että kynä ja paperi eivät riitä, vaan tarvitaan numeerista mallinnusta. Tällainen mallinnuskin on haastavaa monien erilaisten aikaskaalojen ja mittakaavojen vuoksi, ja tähän tarvitaan supertietokoneresursseja, kertoo professori Maarit Korpi-Lagg Aalto-yliopiston tietotekniikan laitokselta.
Korpi-Lagg johtaa yhdeksän hengen monitieteistä tutkimusryhmää, jossa on mukana tietojenkäsittelytieteen tutkijoita Aalto-yliopistosta ja astrofysiikan tutkijoita saksalaisesta Max Planck -instituutista. Ryhmä oli yksi LUMI-supertietokoneen GPU-pilottivaiheen käyttäjistä.
LUMI-pilottiprojekti todisti teorian todeksi
Auringosta kerätään jatkuvasti dataa maanpäällisten- ja satelliittiobservatorioiden kautta. Lisäksi tutkijat kehittävät laskennallisia malleja, joita voidaan verrata havaintoihin. Vielä toistaiseksi on kuitenkin osoittautunut mahdottomaksi rakentaa numeerista mallia, joka toistaisi kaikki oleelliset reaalimaailman havainnot ja auttaisi ennustamaan paremmin aurinkomyrskyjä.
LUMI-pilottiprojektissa ryhmä selvitti mekanismia, jonka olemassaolo voisi selittää aikaisempien mallien ja havaintojen väliset erot.
– Lähdimme etsimään LUMI-pilottiprojektissa nimeltä VISSI (VerIfying Small-Scale dynamo actIon in the Sun) vastausta kysymykseen, voiko Auringon konvektiokerroksessa esiintyä fluktuoiva dynamo. Dynamomekanismit ovat vähän kuin polkupyörän dynamo, mutta kineettinen energia ei muutu sähköenergiaksi eli valoksi lampussa, vaan Auringon magneettikentän energiaksi, Korpi-Lagg havainnollistaa.
Ennen LUMI-pilottiprojektia ei ollut varmuutta siitä, onko fluktuoiva dynamo merkittävä Auringon pinnan alaisessa konventiokerroksessa.
– Teoreettisesti ennuste oli, että sen pitäisi olla olemassa, mutta numeerisesti kukaan ei ollut sitä vielä auringonkaltaisissa olosuhteissa ollut löytänyt. Tämän LUMI-pilottiprojektin myötä pystyimme numeerisesti todentamaan tämän mekanismin olemassaolon simulaatiomalleilla, jotka ovat omaa laatuaan tarkimpia, joita on tähän mennessä pystytty tekemään. Projektin tavoitteena oli ratkaista tämä merkittävä osakysymys, jotta jatkotutkimusten suunta selkiytyisi, Korpi-Lagg jatkaa.
Tutkimukset saavat jatkoa LUMI-supertietokoneella Suomen oman LUMI Extreme Scale -haun kautta myönnetyillä laskentaresursseilla. Tässä projektissa tutkimusryhmä alkaa selvittää, miten LUMI-pilottiprojektissa todennettu Auringon pinnanalainen pienen mittakaavan dynamomekanismi vaikuttaa Auringon suuremman mittakaavan ilmiöihin ja lopulta myös aurinkomyrskyjen syntyyn.
– Jatkoprojektissa nimeltään SISSI (Studying Small-Scale dynamo action in the Sun) tutkimme pilottiprojektin aikana todennetun dynamoprosessin vaikutuksia Auringon suuremman mittakaavan ilmiöihin, kuten liikemäärän säilymiseen, lämmönkuljetukseen ja ison mittakaavan dynamoon. Kaikkien näiden vuorovaikutuksena syntyy Auringon magneettikenttä, joka muodostaa aktiivisia alueita, joista jotkut johtavat auringonpurkauksiin. Nämä taas aikaansaavat avaruusmyrskyjä, ja ovat haitaksi teknologisoituneelle yhteiskunnallemme, Korpi-Lagg toteaa.
Enemmän aikaa varautua
Auringonpurkauksia ja -myrskyjä tapahtuu eniten silloin, kun aurinko on aktiivisimmillaan. Auringon aktiivisuus kulkee 11 vuoden sykleissä ja seuraavaa aktiivisuushuippua ennustetaan vuodelle 2025.
Maailmalla on avaruussääkeskuksia, jotka tekevät ennusteita avaruussäästä. Ennusteet perustuvat tällä hetkellä Auringon pinnan muutosten seurantaan ja näin ollen ennustuksia voidaan tehdä vasta silloin, kun aktiivinen alue on jo ilmestynyt Auringon pinnalle. Usein silloin voi olla jo myöhäistä reagoida.
– Kaikkien näiden häiriöiden juuret ovat Auringon pinnan alaisessa konvektiokerroksessa, jota ryhmämme tutkii. Kaikista eniten energiaa sisältäviä purkauksia on vaikea ennustaa, koska häiriöt kulkevat lähellä valon nopeutta. Olemme parhaillaan kehittämässä menetelmiä, jotka monitoroivat pinnan alaisia muutoksia. Niiden avulla voitaisiin mahdollisesti saada jopa pari päivää lisäaikaa reagoida, Korpi-Lagg kertoo.
Teknisesti ja tieteellisesti kiinnostava projekti
Kuukauden kestänyt LUMI-pilottiprojekti oli tutkimusryhmälle haastava, mutta palkitseva.
– Olemme nyt uuden paradigman käyttöönoton kynnyksellä, eli siirtymässä CPU-pohjaisesta laskennasta grafiikkakiihtydinpohjaiseen laskentaan. Tämä mahdollistaa siirtymisen petaflopsien laskentatehosta eksaskaalan laskentaan. LUMI-pilotti osoitti meille sen, että käytännössä, ei ainoastaan teoriassa, tämä on mahdollista ja tieteellisesti hyödyllistä. Projekti viitoitti myös uusien haasteiden äärelle. Ennen sitä olimme lähinnä huolestuneita siitä, saammeko tarpeeksi tehoja irti käyttämällä tuhansia grafiikkakiihdyttimiä. Tämä pelko osoittautui aiheettomaksi, mutta päänvaivaa projektin aikana aiheuttikin järkälemäisen datan tallentaminen ja siirteleminen nopeasti. Näihin haasteisiin on pakko palata ja löytää vielä parempia ratkaisuja jatkoprojektia varten, Korpi-Lagg toteaa.
Ryhmä käyttää työssään Aalto-yliopistossa kehitettyä Astaroth-koodia, joka optimoitiin AMD:n GPU-prosessoreille sopivaksi.
– Työ kannatti: pystymme nyt tekemään LUMIn GPU-kapasiteetilla päivässä sen, mihin meillä meni aiemmin kuukausi CPU-prosessoreilla tehtynä, Korpi-Lagg antaa osviittaa GPU-prosessorien laskentatehosta ja työn nopeutumisesta.
Korpi-Lagg on myös iloinen siitä, että GPU-arkkitehtuureihin siirtymisen myötä säästyy myös energiaa.
– Laskutoimitusten nopeutumisen myötä säästyy myös hillittömästi energiaa. Vuosikausia on tuntunut pahalta, kuinka paljon ympäristöresursseja supertietokoneet kuluttavat, mutta nyt tehdessämme töitä yhdellä maailman ympäristöystävällisimmällä supertietokoneella, poistuu myös tämä taakka tutkijan hartioilta, Korpi-Lagg päättää.
Katso Maarit Korpi-Laggin haastattelu videolta:
Kirjoittaja: Anni Jakobsson