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Los científicos están utilizando superordenadores para ayudar a entender cómo los diminutos meteoros, invisibles a simple vista, liberan electrones que pueden ser detectados por el radar y pueden caracterizar la velocidad, la dirección y la tasa de desaceleración de los meteoros con gran precisión, lo que permite determinar su origen. Dado que este polvo espacial que cae ayuda a sembrar las nubes que producen lluvia, esta investigación básica sobre los meteoros ayudará a los científicos a comprender mejor la química de la atmósfera terrestre. Además, la composición de los meteoros ayuda a los astrónomos a caracterizar el entorno espacial de nuestro sistema solar.
Los meteoros desempeñan un papel importante en la ciencia de la atmósfera superior, no solo para la Tierra sino también para otros planetas. Permiten a los científicos ser capaces de diagnosticar lo que hay en el aire mediante un lidar de teledetección por láser pulsado, que rebota en el polvo de los meteoros para revelar la temperatura, la densidad y los vientos de la atmósfera superior.
Los científicos también rastrean con el radar el plasma generado por los meteoros, determinando la velocidad a la que se mueven los vientos en la atmósfera superior por la rapidez con la que se empuja el plasma. Se trata de una región imposible de estudiar con satélites, ya que el arrastre atmosférico a esas alturas haría que la nave espacial volviera a entrar en la atmósfera.
La investigación sobre el meteoro se publicó en junio de 2021 en la revista Journal of Geophysical Research: Space Physics de la American Geophysical Society.
En ella, el autor principal, Glenn Sugar, de la Universidad Johns Hopkins, desarrolló simulaciones por ordenador para modelar la física de lo que ocurre cuando un meteoro choca con la atmósfera. El meteoro se calienta y desprende material a velocidades hipersónicas en un proceso llamado ablación. El material desprendido choca con las moléculas atmosféricas y se convierte en plasma incandescente.
"Lo que intentamos hacer con las simulaciones de los meteoros es imitar ese proceso tan complejo de ablación, para ver si entendemos la física que se produce; y también para desarrollar la capacidad de interpretar las observaciones de alta resolución de los meteoros, principalmente las observaciones de radar de los meteoros", dijo el coautor del estudio Meers Oppenheim, profesor de Astronomía de la Universidad de Boston.
Las grandes antenas de radar, como el emblemático, pero ya desaparecido telescopio de radar de Arecibo, han registrado múltiples meteoros por segundo en una pequeña parcela del cielo. Según Oppenheim, esto significa que la Tierra está siendo golpeada por millones y millones de meteoros cada segundo.
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| Distribuciones de frecuencia de plasma representativas utilizadas en las simulaciones de ablación de meteoritos. Crédito: Sugar et al. |
"Interpretar esas mediciones ha sido complicado", dijo. "Saber qué estamos viendo cuando vemos estas mediciones no es tan fácil de entender".
Las simulaciones en el documento básicamente establecen una caja que representa un trozo de atmósfera. En el centro de la caja se coloca un diminuto meteorito que escupe átomos. Las simulaciones en el dominio del tiempo por diferencia finita se utilizaron para generar distribuciones de densidad del plasma generado por los átomos del meteoro cuando sus electrones se desprenden en las colisiones con las moléculas de aire.
"Los radares son muy sensibles a los electrones libres", explicó Oppenheim. "Se crea un plasma grande y cónico que se desarrolla inmediatamente delante del meteoroide y luego es barrido detrás del mismo. Eso es lo que observa el radar. Queremos ser capaces de pasar de lo que el radar ha observado a lo que es el tamaño del meteoroide. Las simulaciones nos permiten hacer ingeniería inversa".
El objetivo es poder observar la intensidad de la señal de las observaciones del radar y poder obtener características físicas del meteoroide, como su tamaño y composición.
"Hasta ahora solo disponíamos de estimaciones muy burdas al respecto. Las simulaciones nos permiten ir más allá de las simples estimaciones crudas", dijo Oppenheim.
"La teoría analítica funciona muy bien cuando puedes decir: 'Vale, este único fenómeno está ocurriendo, independientemente de estos otros fenómenos'. Pero cuando todo ocurre a la vez, se vuelve muy confuso. Las simulaciones se convierten en la mejor herramienta", afirma Oppenheim.
Oppenheim obtuvo tiempo de supercomputadora del Entorno de Descubrimiento de Ciencia e Ingeniería Extremas (XSEDE) en la supercomputadora Stampede2 de TACC para las simulaciones de meteoros.
"Ahora podemos utilizar la potencia de Stampede2 -estos superordenadores gigantes- para evaluar la ablación de los meteoros con un detalle increíble", dijo Oppenheim. "XSEDE hizo posible esta investigación al facilitarnos a mí, a los estudiantes y a los investigadores asociados el aprovechamiento de los superordenadores".
"Los sistemas están bien gestionados", añadió. "Utilizamos muchos paquetes matemáticos y de almacenamiento de datos. Todos están precompilados y listos para que los utilicemos en XSEDE. También tienen una buena documentación. Y el personal de XSEDE ha sido muy bueno. Cuando nos encontramos con un cuello de botella o un obstáculo, nos ayudan mucho. Ha sido un activo estupendo".
Fuentes, créditos y referencias:
G. Sugar et al, Simulation‐Derived Radar Cross Sections of a New Meteor Head Plasma Distribution Model, Journal of Geophysical Research: Space Physics (2021). DOI: 10.1029/2021JA029171
Gabrielle Guttormsen et al, Atomic‐Scale Simulations of Meteor Ablation, Journal of Geophysical Research: Space Physics (2020). DOI: 10.1029/2020JA028229
imagen: Las simulaciones de XSEDE Stampede2 están ayudando a revelar la física de lo que ocurre cuando un meteorito choca con la atmósfera. Crédito: CC BY-SA 4.0 (Jacek Halicki)