La Terre est au centre du cercle noir qui est la limite intérieure à 2,5 rayons de la Terre. Les lignes blanches sont des lignes de champ magnétique. Les couleurs montrent la densité. Le rectangle bleu indique où est utilisé le modèle cinétique, qui est couplé au modèle magnétohydrodynamique global. Crédit : Chen, Yuxi & Toth, Gabor & Hietala, Heli & Vines, Sarah & Zou, Ying & Nishimura, Yukitoshi & Silveira, Marcos & Guo, Zhifang & Lin, Yu & Markidis, Stefano
Des chercheurs de l’Université du Michigan utilisent le superordinateur Frontera pour améliorer le système de prévision météorologique spatiale et éviter les pires effets des événements extrêmes.
“Il n’y a que deux catastrophes naturelles qui pourraient avoir un impact sur l’ensemble des États-Unis”, selon Gabor Toth, professeur de sciences et d’ingénierie du climat et de l’espace à l’Université du Michigan. « L’un est une pandémie et l’autre est un événement météorologique spatial extrême. »
Nous voyons actuellement les effets du premier en temps réel.
Les dernier événement météorologique spatial majeur a frappé la Terre en 1859. Des événements météorologiques spatiaux plus petits, mais toujours importants, se produisent régulièrement. Ceux-ci font frire l’électronique et les réseaux électriques, perturbent les systèmes de positionnement global, provoquent des décalages dans la portée des aurores boréales et augmentent le risque de rayonnement pour les astronautes ou les passagers des avions traversant les pôles.
“Nous avons tous ces actifs technologiques qui sont en danger”, a déclaré Toth. « Si un événement extrême comme celui de 1859 se reproduisait, cela détruirait complètement le réseau électrique, les satellites et les systèmes de communication – les enjeux sont bien plus importants. »
Motivé par le Stratégie et plan d’action nationaux sur la météorologie spatiale de la Maison Blanche et le Initiative nationale de calcul stratégique, en 2020 la National Science Foundation (NSF) et Nasa a créé le Programme de météo spatiale avec incertitudes quantifiées (SWQU). Il rassemble des équipes de recherche de toutes les disciplines scientifiques pour faire progresser les dernières méthodes d’analyse statistique et de calcul haute performance dans le domaine de la modélisation de la météo spatiale.
« Nous sommes très fiers d’avoir lancé les projets SWQU en rassemblant l’expertise et le soutien dans plusieurs domaines scientifiques dans le cadre d’un effort conjoint entre la NSF et la NASA », a déclaré Vyacheslav (Slava) Lukin, directeur du programme de physique des plasmas à la NSF. « Le besoin est reconnu depuis un certain temps, et le portefeuille de six projets, dont celui de Gabor Toth, engage non seulement les principaux groupes universitaires, mais aussi les centres de la NASA, les laboratoires nationaux du ministère de la Défense et de l’Énergie, ainsi que le secteur privé secteur.”
Le champ magnétique radial est représenté à la surface du Soleil en échelle de gris. Les lignes de champ magnétique sur la corde de flux sont colorées avec la vitesse. Le fond est coloré avec la densité du nombre d’électrons. Crédit : Gabor Toth, Université du Michigan
Toth a aidé à développer le modèle de prévision météorologique spatial prééminent d’aujourd’hui, qui est utilisé pour les prévisions opérationnelles par la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). Le 3 février 2021, la NOAA a commencé à utiliser le Modèle géospatial version 2.0, qui fait partie du cadre de modélisation de la météo spatiale de l’Université du Michigan, pour prédire les perturbations géomagnétiques.
« Nous améliorons constamment nos modèles », a déclaré Toth. Le nouveau modèle remplace la version 1.5 qui est opérationnelle depuis novembre 2017. « Le principal changement de la version 2 était le raffinement de la grille numérique dans la magnétosphère, plusieurs améliorations des algorithmes et un recalibrage des paramètres empiriques.
Le modèle géospatial est basé sur une représentation globale de l’environnement géospatial de la Terre qui inclut la magnétohydrodynamique – les propriétés et le comportement des fluides électriquement conducteurs comme plasma interagissant avec les champs magnétiques, qui jouent un rôle clé dans la dynamique de la météo spatiale.
Le modèle Geospace prédit les perturbations magnétiques au sol résultant des interactions géospatiales avec le vent solaire. De telles perturbations magnétiques induisent un champ géoélectrique qui peut endommager des conducteurs électriques à grande échelle, tels que le réseau électrique.
L’alerte avancée à court terme du modèle fournit aux prévisionnistes et aux opérateurs de réseau électrique une connaissance de la situation concernant les courants nocifs et laisse le temps d’atténuer le problème et de maintenir l’intégrité du réseau électrique, a annoncé la NOAA au moment du lancement.
Aussi avancé que soit le modèle géospatial, il ne fournit qu’environ 30 minutes d’avertissement avancé. L’équipe de Toth est l’un des nombreux groupes qui s’efforcent de porter le délai d’exécution à un à trois jours. Cela signifie comprendre comment l’activité à la surface du Soleil conduit à des événements qui peuvent avoir un impact sur la Terre.
“Nous utilisons actuellement les données d’un satellite mesurant les paramètres du plasma à un million de kilomètres de la Terre”, a expliqué Toth. Les chercheurs espèrent partir du Soleil, en utilisant l’observation à distance de la surface du Soleil, en particulier des éjections de masse coronale qui produisent des éruptions visibles dans les rayons X et la lumière UV. « Cela se produit tôt le Soleil. À partir de là, nous pouvons exécuter un modèle et prédire l’heure d’arrivée et l’impact des événements magnétiques. »
Le supercalculateur Frontera financé par la NSF du Texas Advanced Computing Center de l’UT Austin est classé n°5 le plus rapide au monde et n°1 pour les systèmes universitaires, selon le classement Top500 de novembre 2019. Crédit : TACC
Améliorer le délai d’exécution des prévisions météorologiques spatiales nécessite de nouvelles méthodes et de nouveaux algorithmes capables de calculer beaucoup plus rapidement que ceux utilisés aujourd’hui et pouvant être déployés efficacement sur des ordinateurs hautes performances. Toth utilise le supercalculateur Frontera du Texas Advanced Computing Center – le système universitaire le plus rapide au monde et le 10e plus puissant au total – pour développer et tester ces nouvelles méthodes.
“Je me considère vraiment bon pour développer de nouveaux algorithmes”, a déclaré Toth. “Je les applique à la physique spatiale, mais bon nombre des algorithmes que je développe sont plus généraux et ne se limitent pas à une seule application.”
Une amélioration algorithmique clé apportée par Toth consistait à trouver une nouvelle façon de combiner les aspects cinétique et fluide des plasmas dans un modèle de simulation. « Les gens ont déjà essayé et ont échoué. Mais nous l’avons fait fonctionner. Nous allons un million de fois plus vite que les simulations par force brute en inventant des approximations et des algorithmes intelligents », a déclaré Toth.
Le nouvel algorithme adapte dynamiquement l’emplacement couvert par le modèle cinétique en fonction des résultats de la simulation. Le modèle identifie les régions d’intérêt et place le modèle cinétique et les ressources de calcul sur lesquelles se concentrer. Cela peut entraîner une accélération de 10 à 100 pour les modèles de météo spatiale.
Dans le cadre du projet NSF SWQU, Toth et son équipe ont travaillé à faire fonctionner efficacement le cadre de modélisation de la météo spatiale sur les futurs superordinateurs qui reposent fortement sur des unités de traitement graphique (GPU). Comme premier objectif, ils ont entrepris de porter le modèle Geospace sur des GPU en utilisant le compilateur NVIDIA Fortran avec les directives OpenACC.
Ils ont récemment réussi à exécuter le modèle Geospace complet plus rapidement qu’en temps réel sur un seul GPU. Ils ont utilisé la machine Longhorn compatible GPU de TACC pour atteindre cette étape. Pour exécuter le modèle avec la même vitesse sur un supercalculateur traditionnel, il faut au moins 100 cœurs de processeur.
« Il a fallu une année entière de développement de code pour que cela se produise, a déclaré Toth. “L’objectif est d’exécuter un ensemble de simulations rapidement et efficacement pour fournir une prévision météorologique spatiale probabiliste.”
Ce type de prévision probabiliste est important pour un autre aspect des recherches de Toth : la localisation des prédictions en termes d’impact sur la surface de la Terre.
« Doit-on s’inquiéter au Michigan ou seulement au Canada ? Quel est le courant induit maximal que les transformateurs particuliers connaîtront ? Combien de temps les générateurs devront-ils être éteints ? Pour le faire avec précision, vous avez besoin d’un modèle auquel vous croyez », a-t-il déclaré. « Quoi que nous prédisions, il y a toujours une certaine incertitude. Nous voulons donner des prévisions avec des probabilités précises, similaires aux prévisions météorologiques terrestres.
Toth et son équipe exécutent leur code en parallèle sur des milliers de cœurs sur Frontera pour chaque simulation. Ils prévoient d’exécuter des milliers de simulations au cours des prochaines années pour voir comment les paramètres du modèle affectent les résultats afin de trouver les meilleurs paramètres de modèle et de pouvoir associer des probabilités aux résultats de simulation.
« Sans Frontera, je ne pense pas que nous puissions faire cette recherche », a déclaré Toth. « Lorsque vous associez des personnes intelligentes et de gros ordinateurs, de grandes choses peuvent se produire. »
Référence : « The Space Weather Modeling Framework goes open access » par Tuija Pulkkinen, Tamas I. Gombosi, Aaron J. Ridley, Gabor Toth et Shasha Zou, 13 mai 2021, Éos.
DOI : 10.1029/2021EO158300
Le modèle Michigan Soleil-Terre, y compris le SWMF Geospace et le nouveau port GPU, est disponible en open source sur https://github.com/MSTEM-QUDA. Toth et ses collaborateurs ont publié une revue des développements récents et en cours du modèle dans le numéro de mai d’EOS.
