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태양 흑점이 슈퍼 컴퓨터에 의해 상세하게 밝혀지다 Inven.Discov.Tech.

Sunspots Revealed In Striking Detail By Supercomputers

과학자들이 태양과, 태양이 지구에 미치는 영향에 대한 미스테리를 풀 수 있는 혁신적인 성과를 이루어냈으며, 국립 대기 연구 센터(National Center for Atmospheric Research : NCAR)가 이끄는 연구팀이 처음으로 태양 흑점을 이해하기 위한 컴퓨터 모델을 만들어냈다. 시각적인 이미지로 캡쳐된 결과는, 과학적인 상세함과 놀라울 정도의 아름다움을 동시에 담아내고 있다.

태양 흑점에 대한 고해상도의 시뮬레이션은, 태양 표면의 거대하고 신비한, 어두운 조각들에 대해 알고자 하는 연구자들에게 공개되고 있다. 태양 흑점은 충전된 플라즈마가 거대한 폭발을 일으키는 현상과 관련이 있으며, 자기 폭풍을 발생시키고 통신 시스템과 네비게이션 시스템을 방해한다. 이 현상은 태양이 배출하는 전체 에너지량에 영향을 미치고, 지구의 날씨에 영향을 주며 기후 패턴에도 미세한 영향을 준다.

NCAR과 Max Planck 태양 시스템 연구소(MPS)의 과학자들에 의한 이번 연구는 Science Express 지에 6월 18일자로 게재되었다.

“이것은 우리가 태양 흑점 전체를 모델화한 첫 번째 시도입니다. 만약 우리가 지구 대기 시스템의 모든 요인들을 이해하고자 한다면, 태양 흑점이 나타나고 발달하는 과정을 이해해야 합니다. 우리의 연구는 태양 에너지와 지구 대기 사이의 관계 뿐만 아니라, 태양 내부에서 일어나는 과정으로 연구자들을 이끌 것입니다.”라고 NCAR, High Altitude Observatory의 과학자이며 이번 연구의 주저자인 Matthias Rempel이 말했다.

“100년 전, 흑점의 중심에서 바깥쪽으로 향하는 흐름이 관측된 이래로 과학자들은 11년의 태양 주기에 따라 증가와 감소를 반복하는 태양 흑점의 복잡한 구조에 대해 설명하고자 했습니다. 흑점은 강한 자기 활동을 포함하고 있으며 이는 지구 대기에 영향을 주는 태양 플레어와 거대한 플라즈마 분출과 연관되어 있습니다. 결과적으로 발생하는 전력망, 위성, 다른 섬세한 기술적 시스템의 손상은 증가하는 산업에 경제적인 손실을 주고 있습니다."라고 그는 덧붙였다.

이런 상세한 시뮬레이션을 만드는 일은 불과 몇 년 전만 하더라도 불가능한 것이었으며, 최근의 새로운 세대의 슈퍼 컴퓨터와 태양 관측 기구의 증가 배치가 이것을 가능하게 했다. 이 모델은 과학자들이, 관측 장비에 의해 직접 탐지되지 않는 흑점 아랫부분의 대류와 에너지 흐름을 포착하는 것을 가능하게 만들어주었다.

이 연구는 국립 과학 재단(National Science Foundation)과 NCAR의 지원을 받았다. 연구팀은 MPS에서 개발된 컴퓨터 모델을 발전시켰으며, 이 모델은 시카고 대학에서 개발한, 자성 액체에 숫자 코드를 입력하는 방식을 따르고 있다.


- 동일한 물리학적 설명을 제공하는 컴퓨터 모델

이 새로운 모델은 서로 반대 극에 위치한 한 쌍의 흑점을 포착한다. 놀라울 만큼의 상세함으로 중심의 어두운 부분(본영 : umbra)과 약간 더 밝은 본영들과, 바깥쪽의 반영(penumbral)의 점들에서 흘러나오는 거대한 흐름으로 길고 좁은 필라멘트 형태의 그물을 형성하는 장면을 보여주고 있다.

이 모델은 태양 흑점이 이런 복잡한 구조를 형성하려면, 흑점 안의 자기장이 특정한 방향으로 이루어져 있어야 함을 보여준다. 저자들은 다양한 상황에서 대류 현상에 의한 본영과 반영이 나타나며 태양의 흑점이 형성되는 과정에 단일한 물리학적 설명이 존재한다고 결론을 내렸다.

이 시뮬레이션 모델은 과학자들이 태양 흑점을 형성하는, 태양 표면 아래의 신비한 힘에 대해 이해할 수 있도록 도움을 주고 있다. 이러한 노력들은 태양 방출을 이해하고 이 현상이 지구에 미치는 영향을 이해하는 능력을 진일보하게 할 것이다.


- 초당 76조 번의 계산 능력

모델을 만들기 위해 연구팀들은 태양의 한 부분을 가로 31,000 마일, 세로 62,000 마일, 깊이 3,700 마일의 3차원 실사 영역으로 구현했으며 이 크기는 지구 지름의 8배 길이, 깊이는 지구 반지름 정도에 해당하는 것이다. 과학자들은 그 뒤 에너지 이동, 유체 역학, 자기 유도, 피드백, 그리고 흑점 역학을 시뮬레이션 하기 위한, 다른 현상들의 기본적인 물리학적 법칙을 포함하는 일련의 방정식들을 이용했다. 시뮬레이션은 10억 8천만 개의 점으로 구현 되었으며 하나의 점은 각각 10에서 20마일 정도의 크기이다. 여러 주 동안 이들은 NCAR의 새로운 bluefire 슈퍼 컴퓨터를 이용하여 이 방정식들을 풀어냈으며 이 컴퓨터는 IBM에서 만든 것으로, 1초에 76조 번의 계산을 할 수 있다.

이 작업은 지상과 우주의 관측 장비에서 얻은 상당히 상세한 자료를 바탕으로 한 것이며 새로운 모델은 태양 흑점을 실제와 유사하게 포착할 수 있었다.

새로운 모델은, 다른 반영 지역의 복잡함을 포착하는데 실패한 이전의 시뮬레이션보다 훨씬 상세하고 현실적인 것이다. 연구자들은 그러나, 자신들의 새로운 모델에서도 반영의 일부분인 필라멘트의 길이를 정확하게 포착할 수 없었다고 밝혔다. 이들은 눈금의 점들을 더 가깝게 배치하여 모델을 조정할 수 있을 것이지만, 이렇게 하기 위해서는 현재 사용하고 있는 것보다 더 나은 컴퓨터가 필요하다.

“슈퍼 컴퓨터의 진보는 태양의 가장 근원적인 과정의 일부분에 우리가 더 가깝게 접근하는 것을 가능하게 했습니다. 혁신적인 시뮬레이션을 통해 전체적으로 이해도가 높은 물리학적 그림이 나타나고 있으며, 여기에는 태양 흑점의 외양, 배열, 움직임, 그리고 쇠퇴를 관찰하는 이들에게 필요한 모든 것이 포함되어 있습니다.”라고 NCAR, High Altitude Observatory의 책임자이자 이번 보고서의 공저자인 Michael Knoelker가 말했다.

대기 연구를 위한 대학 연합(The University Corporation for Atmospheric Research : UCAR)은 국립 과학 재단의 지원을 받는 국립 대기 연구소(National Center for Atmospheric Research)를 운영하고 있다.

http://www.sciencedaily.com/releases/2009/06/090618143958.htm

 



Sunspots Revealed In Striking Detail By Supercomputers

ScienceDaily (June 21, 2009) — In a breaKThrough that will help scientists unlock mysteries of the Sun and its impacts on Earth, an international team of scientists led by the National Center for Atmospheric Research (NCAR) has created the first-ever comprehensive computer model of sunspots. The resulting visuals capture both scientific detail and remarkable beauty.

The interface between a sunspot's umbra (dark center) and penumbra (lighter outer region) shows a complex structure with narrow, almost horizontal (lighter to white) filaments embedded in a background having a more vertical (darker to black) magnetic field. (Credit: Copyright UCAR, image courtesy Matthias Rempel, NCAR)

The high-resolution simulations of sunspot pairs open the way for researchers to learn more about the vast mysterious dark patches on the Sun's surface. Sunspots are associated with massive ejections of charged plasma that can cause geomagnetic storms and disrupt communications and navigational systems. They also contribute to variations in overall solar output, which can affect weather on Earth and exert a subtle influence on climate patterns.

The research, by scientists at NCAR and the Max Planck Institute for Solar System Research (MPS) in Germany, is being published June 18 in Science Express.

"This is the first time we have a model of an entire sunspot," says lead author Matthias Rempel, a scientist at NCAR's High Altitude Observatory. "If you want to understand all the drivers of Earth's atmospheric system, you have to understand how sunspots emerge and evolve. Our simulations will advance research into the inner workings of the Sun as well as connections between solar output and Earth's atmosphere."

Ever since outward flows from the center of sunspots were discovered 100 years ago, scientists have worked toward explaining the complex structure of sunspots, whose number peaks and wanes during the 11-year solar cycle. Sunspots encompass intense magnetic activity that is associated with solar flares and massive ejections of plasma that can buffet Earth's atmosphere. The resulting damage to power grids, satellites, and other sensitive technological systems takes an economic toll on a rising number of industries.

Creating such detailed simulations would not have been possible even as recently as a few years ago, before the latest generation of supercomputers and a growing array of instruments to observe the Sun. The model enables scientists to capture the convective flow and movement of energy that underlie the sunspots, which is not directly detectable by instruments.

The work was supported by the National Science Foundation, NCAR's sponsor. The research team improved a computer model, developed at MPS, that built upon numerical codes for magnetized fluids that had been created at the University of Chicago.


Computer model provides a unified physical explanation

The new simulations capture pairs of sunspots with opposite polarity. In striking detail, they reveal the dark central region, or umbra, with brighter umbral dots, as well as webs of elongated narrow filaments with flows of mass streaming away from the spots in the outer penumbral regions.

The model suggests that the magnetic fields within sunspots need to be inclined in certain directions in order to create such complex structures. The authors conclude that there is a unified physical explanation for the structure of sunspots in umbra and penumbra that is the consequence of convection in a magnetic field with varying properties.

The simulations can help scientists decipher the mysterious, subsurface forces in the Sun that cause sunspots. Such work may lead to an improved understanding of variations in solar output and their impacts on Earth.


Supercomputing at 76 trillion calculations per second

To create the model, the research team designed a virtual, three-dimensional domain that simulates an area on the Sun measuring about 31,000 miles by 62,000 miles and about 3,700 miles in depth - an expanse as long as eight times Earth's diameter and as deep as Earth's radius. The scientists then used a series of equations involving fundamental physical laws of energy transfer, fluid dynamics, magnetic induction and feedback, and other phenomena to simulate sunspot dynamics at 1.8 billion points within the virtual expanse, each spaced about 10 to 20 miles apart. For weeks, they solved the equations on NCAR's new bluefire supercomputer, an IBM machine that can perform 76 trillion calculations per second.

The work drew on increasingly detailed observations from a network of ground- and space-based instruments to verify that the model captured sunspots realistically.

The new model is far more detailed and realistic than previous simulations that failed to capture the complexities of the outer penumbral region. The researchers noted, however, that even their new model does not accurately capture the lengths of the filaments in parts of the penumbra. They can refine the model by placing the grid points even closer together, but that would require more computing power than is currently available.

"Advances in supercomputing power are enabling us to close in on some of the most fundamental processes of the Sun," says Michael Knoelker, director of NCAR's High Altitude Observatory and a co-author of the paper. "With this breakthrough simulation, an overall comprehensive physical picture is emerging for everything that observers have associated with the appearance, formation, dynamics, and the decay of sunspots on the Sun's surface."

The University Corporation for Atmospheric Research manages the National Center for Atmospheric Research under sponsorship by the National Science Foundation.

Adapted from materials provided by National Center for Atmospheric Research/University Corporation for Atmospheric Research.

 

Source : KISTI, sciencedaily.com






덧글

  • wneswkcic 2009/08/01 12:10 # 삭제

    인간의 두뇌 활동도 다 밝혀질것입니다 좋은 자료 감사합니다
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