Пролет Mars Explorer в окрестностях Марса. Расчет по гибридной модели Финского метеорологического института
Консорциум европейских ученых, куда входят сотрудники НИИЯФ МГУ - единственные представители России, создали в рамках проекта, поддержанного научной программой Европейской комиссии FP7, информационную среду под названием IMPEx (Integrated Medium for Planetary Exploration/интегрированная среда для исследования планет), позволяющую проводить сопоставление данных многочисленных космических миссий. До сих пор эта работа затруднялась тем, что для каждой космической миссии использовались различные протоколы обработки и хранения данных. Кроме того, данные наблюдений могут теперь сравниваться с теоретическими численными моделями независимо от используемого протокола. Созданная научная среда IMPEx позволяет ученым, работающим в области космической физики, лучше интерпретировать результаты наблюдений, заполнить пробелы в наблюдениях путем компьютерных расчетов данных и сравнить наблюдения с расчетами. Первые применения инструментов IMPEx позволили провести детальное сравнение данных наблюдений на аппаратах «Венера-экспресс» (ЕКА) и «Мессенджер» (НАСА) с существующими модельными расчетами. В обозримом будущем будет проведено сравнение наблюдений на знаменитом аппарате «Розетта» с соответствующими модельными расчетами.
Космические миссии немного похожи на смартфоны. Для них используется множество различных стандартов для обработки данных. Из-за сложности космических исследований обычно создаются уникальные инструменты и приборы, предназначенные для определенных целей, а средства подготовки данных разрабатываются для каждой миссии индивидуально на основе специфических протоколов передачи и хранения данных. В результате обмен данными и их сравнение со сложными компьютерными моделями, разработанными третьей стороной, практически невозможны. Сейчас существует несколько подходов, позволяющих преодолеть это многообразие форматов путем определения стандартов для соответствующих областей физики. Европейский консорциум IMPEx привнес значительный вклад в эту деятельность, в частности, распространив модель данных SPASE (Space Physics Archive Search and Extract/поиск и извлечение космофизических данных) на область компьютерного моделирования. Создав портал http://impex-portal.oeaw.ac.at/#/portal для входа в среду IMPEx, группа смогла предоставить индивидуальный доступ к впечатляющему набору функций, дающих возможность работать с различными экспериментальными и модельными данными в области физики космической плазмы.
Комментируя эти успехи, доктор Максим Ходаченко, координатор проекта и ведущий научный сотрудник Института космических исследований Австрийской академии наук, сказал: «Портал IMPEx предоставляет инструменты для визуализации и анализа баз данных различных миссий. Кроме того, там же находятся несколько баз данных, полученных компьютерным моделированием». В самом деле, инструментарий, предлагаемый порталом IMPEx, впечатляет. Сам портал обеспечивает доступ к огромному объему экспериментальных данных и расчетов магнитной и плазменной окружающей среды для нескольких планет, их лун и комет в Солнечной системе, которые также являются целью нескольких прошлых, настоящих и будущих европейских и международных миссий. Методы веб-сервисов, поддерживаемые в области моделирования в IMPEx, позволяют воспроизводить картину магнитных полей и распределения космической плазмы в окрестностях намагниченных планет по предварительному запросу или в реальном времени.
Стартовой точкой на портале IMPEx является так называемый инструмент CDPP AMDA (Plasma Physics Data Centre, Automated Multi-Dataset Analysis/Центр данных физики плазмы, автоматизированный анализ данных). AMDA обеспечивает удобный доступ к данным, используя простые в использовании функции обработки. АMDA предназначена для анализа и визуализации экспериментальных и модельных данных в области физики космической плазмы. Еще одним мощным инструментом IMPEx является программный комплекс CDPP 3DView с его огромными возможностями 3D-визуализации, включающими отображение траекторий космических аппаратов, эфемерид планет, а также научное представление массивов экспериментальных и модельных данных. Фактически все базы данных IMPEx передаются прямо в 3DView, создавая интерактивную комбинацию орбит космических аппаратов и их экспериментов на орбите совместно с рассчитанными данными.
Недавно программный комплекс 3DView уже дал впечатляющие результаты при сравнении данных измерений магнитного поля в ходе миссии «Венера-экспресс» с моделью магнитосферных расчетов. В самом деле, это сравнение показало полную силу протокола IMPEx. Участник IMPEx – Финский метеорологический институт – разработал гибридную базу данных расчетов, позволяющую моделировать магнитное поле в окрестностях Венеры. Выбранные сеансы моделирования могут храниться и в дальнейшем обрабатываться на портале IMPEx. Также сеанс моделирования интерполируется в траекторию аппарата «Венера-экспресс», измерения по месту могут сравниваться с модельными расчетами. В итоге обе базы данных, и экспериментальная, и модельная, могут визуализироваться в 3DView прямо на траектории космического аппарата «Венера-экспресс». Такое же сравнение было проведено для экспериментальных данных по магнитному полю Меркурия, полученных в ходе миссии «Мессенджер».
Используя веб-сервисы IMPEx, расчеты в рамках параболоидной модели НИИЯФ МГУ интерполируются на траекторию космического аппарата и представляются посредством 3DView. Руководитель группы НИИЯФ МГУ Игорь Алексеев пояснил: «Мы специализируемся на разработке аналитических моделей магнитосфер планет: Земли, Меркурия, Юпитера и Сатурна. Из всех планет Солнечной системы у этих планет наблюдается значительное магнитное поле. Главным достоинством моделей НИИЯФ МГУ является возможность осуществлять быстрый расчет поля для произвольных параметров. В то время как вычисления по моделям МГД или гибридным моделям требуют предварительных расчетов во всем окружающем планету пространстве, аналитические модели дают возможность вести расчеты в реальном времени - on the fly».
Винсент Гено, научный руководитель проекта, из Научно-исследовательского института астрофизики и планетологии Национального центра научных исследований во Франции, комментирует: «Возможность комбинировать сложные расчетные данные с прямыми измерениями в одном и том же инструменте анализа – одно из важнейших достижений IMPEx. В скором времени система будет способна позволить сравнение данных наблюдений на знаменитом аппарате «Розетта» с расчетами окружения кометы. Это значительно продвинет вперед понимание в области происхождения ранних строительных блоков Солнечной системы. В самом деле, мощная система IMPEx даст возможности и обеспечит исследования плазмы и магнитных полей не только в окрестности кометы Чурюмова-Герасименко, Венеры и Меркурия, но и других объектов Солнечной системы, например, Марса, Юпитера, Сатурна и самой Земли».
Команда из четырех групп - австрийской, финской, французской и российской - не останавливается на этих научных достижениях, она собирается поднять IMPEx в облака. Тарек Аль-Убаиди, менеджер проекта и технический эксперт, объясняет: «Мы хотим расширить и дополнить концепцию IMPEx облачными ресурсами и сервисами «больших данных». Облачная обработка компьютерных моделей даст огромные преимущества научному сообществу. Мы собираемся скомбинировать ее с разносторонней архитектурой и передовыми методиками сбора данных. Мы уже подготовили несколько проектов по реализации этих идей – давайте скрестим пальцы!»
