导演：w·杰弗里·休斯波士顿大学
我们都知道天气，我们周围的大气每天都在变化。就像大气的动力学有重要的影响一样，地球空间环境中大部分看不见的动力学对我们在地面上也很重要。卫星可能会被增强的辐射摧毁，或因局部磁场的变化而翻滚，通信和配电网可能会中断。随着我们的技术基础越来越依赖于天基资产，开发准确的“太空天气”预报模型变得越来越重要。
美国国家科学基金会最近资助了波士顿大学的一个科学技术中心，即综合空间天气建模中心（CISM），以解决这一需求。该中心的宗旨是建立一个从太阳表面到地球大气层的空间天气影响模型。正如大多数天气预报不再是凭直觉，而是依赖于详细的计算机模型一样，该中心的任务将在很大程度上依赖于空间天气发展的数值模拟，从太阳开始，到地球结束。在这项工作中，CISM将与科学计算和可视化小组以及波士顿大学计算科学中心合作。
太空天气链
图1显示了该链中的一些模拟。我们从太阳（左上）开始计算日冕气体的动力学。在这个区域和太阳大气层下的动力可以引起大的气体云和磁场的喷发，称为日冕物质抛射（CME）。然后它们通过行星际空间（右上）传播出去，增加了从太阳流出的气体的速度和密度（太阳风）。椭圆形白色区域是朝向地球的日冕物质抛射。该面板还说明了必须处理的空间体积所带来的一些困难。在左上角看到的日冕部分是日冕计算的一小部分。整个日冕计算只适用于行星际模型的一个小区域。在星际空间的尺度上，地球确实是看不见的。地球的磁场屏蔽了太阳风和日冕物质抛射的直接影响，阻止了太阳风的流动，使其在地球磁层周围转移（左下）。然而，太阳风与磁层的相互作用产生了一个巨大的发电机，它可以产生相当于整个北美发电量的电力，流入极帽处的电离层（右下）。右下的面板显示了从北极上空看到的电离层的图片。颜色表示电离层中的电子总数（红色多，蓝色少）。顶部的橙色波段来自太阳紫外线通量的作用，但底部（夜侧）的电子含量增强来自与磁层的电相互作用。
磁性层的建模
第二张图（上图）在上面的磁层面板上展开。地球位于地轴的交点上；太阳在偏左。月亮会在地轴上的-60点附近。颜色代码显示了地球附近气体密度的对数。太阳风相对于地球是超音速的，所以太阳风流的转移在太阳一侧产生了弓形激波。在另一边有一个阴影区域，密度降低，来自地球的磁场被拉长，这就是尾巴区域。灰色半透明的表面显示了地球磁场完全占据主导地位的区域的边界：在太阳一侧被压缩，在尾巴一侧被拉伸。这或多或少是一种正常的磁层情况，但它已经暗示了正在建模的动力学的复杂性。
场和流。
图3显示了更多这些动态。这张图显示了一段时间的模拟，当磁层中的能量突然向电离层释放，即亚风暴。与地面天气类似的是雷暴天气。图3从地球的后面和上面看。彩色的线是尾部的磁场线。请注意，相对于没有太阳风相互作用的自然偶极子场，它们是多么扭曲。平面上的灰色箭头表示流体流动的方向和速度。注意那些大规模的漩涡。红色的表面显示了一个高速流动的区域，通常流向地球。颜色代码显示了模拟中的压力。
上图所示的关键点表明了一个简单的物理模型，即理想的MHD，所能产生的复杂性。要完整地了解太阳—太阳风—磁层—电离层系统，还需要考虑其他类型的物理学。这将导致进一步的复杂性和将不同类型的描述耦合在一起的计算问题。CISM的任务是将所有这些整合到一个综合模型中。
太空天气预报领域与20世纪60年代地面天气预报领域的情况大致相同，当时第一批计算机模型正在实施。通过CISM及其合作伙伴SCV和CCS的活动，波士顿大学将在开发现实和有价值的地球空间环境预测方面发挥主导作用。