导演：杰弗里·休斯，波士顿大学
任何目睹过雷暴、龙卷风或飓风的人都能体会到地面天气的严重影响。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。该中心的宗旨是为从太阳表面到地球大气层的空间天气效应开发一个基于物理的耦合模拟链。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。
计算磁层澳门威尼斯人注册网站研究实例
左图是磁层模拟的可视化图。模拟网格左侧的黄色球体代表太阳（未按比例），而地球（按比例）嵌入网格的内边界内。图中还显示了源自地球不同纬度的两组磁力线。在全球范围内，磁化的超音速太阳风与地球磁场相互作用，造成空间天气。
这里所示的红色和白色表面限定了受地球磁场支配的区域。太阳风从左向右吹来。在某些时候，太阳风可以打开这些边界，并流经磁层系统。极端情况下的驾驶会导致地磁风暴。
这张图展示了能量如何转移到近地区域的一个例子。两个相交的平面用等离子体速度用颜色编码；蓝色对应快速远离太阳的气流，红色对应快速向太阳的气流。当流量超过阈值时，白色矢量表示等离子体渗透到近地空间的方向。
极地极光是地球电离层地磁风暴的一种效应。这个视角是在地球北极上空，太阳从顶部照射。电离层模拟区域用沉降粒子进入电离层北部的通量着色。这些粒子产生了极光，但对经过这些高纬度地区的空间站宇航员和极地航空公司航班造成辐射危害。
结论
太空天气预报领域与20世纪60年代的地面天气预报领域大致相同，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。
CISM电影现如今已成为
我们从各种CISM澳门威尼斯人注册网站研究人员提供的CISM数据中绘制了12部电影，并在这里提供了它们，以及电影的描述。这些电影最初是在2005年和2006年的超级计算会议上以2048 x 1536的分辨率在我们的高分辨率立体显示器上以立体声播放的。对于这里的网页版本，它们已经被降采样到720 x 540单声道，并在微软AVI和苹果Quicktime格式可用。Quicktime版本的质量稍高，但文件也大3-5倍。
最初的立体声高分辨率电影都是由雷·加塞尔制作的，下采样和网络转换是由亚伦·d·富吉完成的，他们都是波士顿大学科学计算和可视化小组的成员。
这段视频展示了日冕中太阳磁场的可视化模型。中间的球体代表太阳的可见表面，色标表示观测到的表面磁场值（红色指向内，蓝色指向外）。太阳磁场是由太阳深处的电流产生的，但它被从太阳流出的太阳风所改变。最初，只有两极的磁力线用白色表示。这些线路是“开放的”，这意味着它们不直接连接回太阳，而是继续连接到星际空间。随着电影的继续，太阳附近增加了闭合的磁场线。影片以最后的封闭场线（紫色）和覆盖在封闭场线周围的第一个开放场线（红色）结束。（提供S. McGregor） （31MB AVI, 190MB QuickTime）
这部电影展示了太阳外层大气日冕的可视化模型。中间的球体代表太阳的可见表面，灰度值来自于对太阳表面磁场的观测。从内部边界计算出的模型磁力线被涂成红色，磁场极性反转的表面是电流片，在日球层赤道附近的表面可见。这个电流表是用太阳风径向速度的值着色的。（由S. McGregor提供）（14MB AVI, 60MB QuickTime）
 （23MB AVI, 170MB QuickTime）
（31MB AVI, 347MB QuickTime）
（46MB AVI, 158MB QuickTime）
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接下来的四部影片展示了从太阳到地球的日冕物质抛射（CME）的模拟结果。这里描绘了两个不同的事件，分别从正面和侧面看。太阳位于模拟“洞”的中心，红色立方体标志着地球的位置。（在这个尺度上两者都不可见）。在每个视图中，切割平面都是根据太阳风的速度着色的（红色表示快，蓝色表示慢）。由于日冕物质抛射而增加的密度由从中心向外传播的半透明白色密度等面表示。前两部电影描述了太阳极小期附近的情况，在那里太阳风更有组织，高纬度地区的太阳风速度快，低纬度地区的风速度慢。随着日冕物质抛射从太阳向外扩展，它与太阳风相互作用，并被吸引成一个特定的形状。第二部电影展示了太阳极大期附近太阳风组织较差的情况。日冕物质抛射再次符合太阳风，但这次的结构更加不规则。 |
这说明了初始化磁层模型的方法。最初，在模拟轴的中心设置了一个偶极子场。画出两组磁力线，从地球上两个不同的纬度开始。首先，将未磁化的太阳风吹入模拟区域，形成一个真实的磁层空腔。在稍后的时间里，太阳风的方向发生了变化（根据地球偶极子场相对于太阳风的真实方向），太阳风磁场被对流进来，剥离了一些地球磁场，并根据上游航天器的测量结果而变化。（由John Lyon & T. Guild提供）（16MB AVI, 47MB QuickTime）
这个电影是一个亚风暴模拟，用密度的对数着色的平面，等离子体片体积的半透明等值面，以及显示等离子体片内流动的红色向量。现在也有两组在不同纬度开始的场线（灰色和金色）。注意在影片的中间，在等离子体薄片中有一个区域，在那里气流矢量开始发散，一些等离子体很快地向地球移动，而另一些则很快地远离地球。也可以看到地表破裂，其中一些离开了地球。这是亚风暴的时间序列，离开地球的等离子体被称为等离子体流。（由T. Guild提供）（78MB AVI, 385MB QuickTime）
同样的电影，和上面的电影一样的字幕。视点离磁层更远。（80MB AVI, 333MB QuickTime）
这部电影是从北极上空（和后面）观看的亚风暴模拟。这个可视化显示了赤道平面上的速度，蓝色表示快速远离太阳的流（太阳风），红色表示快速流向太阳（在磁层内，称为流爆发）。当速度大于350 km/s时，绘制红色矢量。这说明了亚暴能量转移事件中固有的中尺度结构。它不仅仅是气流的散度，正如你在之前的亚暴模拟电影中所期望的那样，它在赤道平面上有一个非常复杂的结构。（由T. Guild提供）（77MB AVI, 291MB QuickTime）
这是磁层的侧面视图，平面以密度的对数着色。有白色的地磁场线，通常只与地球相连。每当等离子体流快速向太阳移动时（大约350公里/秒），我们就用红色箭头表示方向和大小。这是对亚风暴的模拟，少量的太阳风能量耦合到地球的磁层。太阳风磁场在磁层前部与地球磁场相反，重联使磁层能够装载太阳风能量，一旦尾部（地球后面）的应力太大，重联再次发生，向地球和尾部喷射等离子体。（由T. Guild提供）（70MB AVI, 269MB QuickTime）
从上面看。平面以密度的对数着色，有黄色的磁场线，网格上游的两个矢量是入射速度矢量，和行星际磁场（IMF）矢量。地球背向太阳的半透明表面是等离子体层，这是一个热等离子体区域，能量通过它被转移到近地区域。在这里面，是红色的矢量，表示水流的速度。这是一个简短的演示，仅包含模拟的几个时间步骤。（由T. Guild提供）（3MB AVI, 13MB QuickTime）
这个可视化说明了前面可视化中亚暴模拟的所有内容。这一页的电影2、3和4从一个固定的有利位置显示了亚风暴，而这一页的镜头则是通过体积飞行的。所示为密度着色的平面，两组场线，快速流动时的红色矢量，以及包围等离子体片的半透明表面。（由T. Guild提供）（62MB AVI, 244MB QuickTime）
这个可视化是由CISM本科生制作的。它显示了磁层的密度等值面，并在表面上涂上了磁场值。定义等值面的密度值随时间变化，从高密度到低密度。相机在体积中飞行，等值面随着时间的变化而变化。（由A. Pembroke提供）（17MB AVI, 64MB QuickTime）
这是一个可视化的TING（热层-电离层嵌套网格）模型。热层是上层大气的脆弱区域，主要是随高度升高的温度分布。电离层是热层内的导电层，受磁层驱动，直接参与空间天气动力学。在这个可视化中显示的是由TING模型（彩色切片）和电子密度等值面计算的高层大气离子的温度分布。由于太阳紫外线电离大气物质，电子密度的峰值通常在正午。（由M. Wiltberger提供）（10MB AVI, 34MB QuickTime）