BALISTICA：弹道运动软件包及其在物理学研究和教育中的应用

软件影响16（2023）100488原始软件出版物BALISTICA：弹道运动软件包及其在物理学研究和教育中的应用Santiago Núñez-Corralesa，José Brenes-Andréba美国伊利诺伊州厄巴纳国家超级计算应用中心bRed Ciudadana de Estaciones Meteorológicas，San Rafael de Heredia，埃雷迪亚，哥斯达黎加自动清洁装置保留字：弹道运动破片沉积轨迹数值计算A B标准重建碎片喷射过程中各种环境条件造成的碎片沉积轨迹是地球物理学，特别是火山学的一项主要任务。我们在这里介绍BALISTICA，一个开源Python套件，包含八种不同的模型，用于执行碎片沉积物的弹道运动计算。BALISTICA旨在缩小现场数据和科学推断之间的差距，其中碎片轨迹的重建需要评估多个假设。我们简要介绍了它在哥斯达黎加的研究中的使用，并描述了该过程背后的指导原则。最后，我们讨论了未来的发展方向，以及BALISTICA的研究和教育用途的套件的影响代码元数据当前代码版本1.0.0用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/SoftwareImpacts/SIMPAC-2023-67可复制胶囊法律代码许可证Apache软件许可证2. 0使用git的代码版本控制系统使用Python v3.8的软件代码语言、工具和服务编译要求，操作环境依赖Python库：pip，numpy，pandas，scipy，matplotlib 如果可用，链接到开发人员文档/手册问题支持电子邮件snunezcr@gmail.com软件元数据当前软件版本1.0.0此版本可执行文件的永久链接https://pypi.org/project/BALISTICA/可复制胶囊法律软件许可证Apache软件许可证2.0计算平台/操作系统平台无关安装要求依赖关系Python v3.8+，pip，numpy，pandas，scypi，tkinter，tkinterhtml如果可用，请链接到用户手册-如果正式出版，请在参考列表参见[1]和https://github.com/RECIEM/Balistica/blob/master/BALISTICA-Manual.pdf问题支持电子邮件snunezcr@gmail.com1. BALISTICA：重建碎片沉积在喷发事件中，碎片（即火山碎屑）的喷射构成了一个重大事件，对理解火山的潜在地球物理学具有多重意义[2]。由此产生的沉积物可以仔细研究，以获得有关火山建筑物内发生的结构和过程的有价值的信息，来了解一个特定火山的活动和演化。获取这类信息的一个常用方法是试图合理推断碎片从陨石坑到其沉积物的轨迹*通讯作者。电子邮件地址：nunezco2@illinois.edu（美国）Núñez-Corrales）。https://doi.org/10.1016/j.simpa.2023.100488接收日期：2023年2月11日;接收日期：2023年2月24日;接受日期：2023年2月27日2665-9638/Elsevier B. V.这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表软件影响杂志 首页：www.journals.elsevier.com/software-impactsS. Núñez-Corrales和J. Brenes-André软件影响16（2023）1004882通过对作为弹道射弹的碎片进行数值模拟。由于涉及的可能因素的数量和它们的不确定性，存在许多这样的可能轨迹，寻找轨迹成为一个自然退化的问题。因此，要界定可能的模型空间，就需要专家标准的干预，以评估现有信息的稀缺或丰富如何决定哪些模型可以应用，并考虑到它们的不确定性，哪些模型更简约。表1所有BALISTICA型号通用的控制装置。描述喷射碎片的性质。控制描述初始角度喷射角度初速度弹射速度初始位置初始弹射纬度、经度和高度最终位置存放纬度、经度和高度显示障碍物显示碎片存放处的障碍物和标记虽然模拟火山活动的弹道喷出物并不新鲜，但现有的软件包都以一定程度的熟悉为计算手动模型校准使用现有参数运行当前模型而那些想要熟悉的人往往无法获得的专业知识A与A的关系图，其中A和可以是距离（ （）），在这一领域进行研究。 后者特别保存到CSV高度（ （））或速度（ （））将最新数据的副本作为CSV文件存储在磁盘对于从学生过渡到研究活动的早期职业人士也是如此。此外，知道哪些方程适用于哪些碎片沉积情况不会立即转化为有效地选择候选轨迹，因为建立适当的科学直觉以加速搜索过程需要时间和结构化重复。当从碎片收集中提取的信息很少时，应用简单模型会以相对直接的方式进行;当信息丰富时，动力学方程的流形实际上是无限的，必须快速修剪，以至少确定描述机制为了解决这一不足，我们开发了BALISTICA作为一个开源软件套件，其中包含八个不同的弹道轨迹模型的复杂性不断增加。通过复杂性，我们不仅指运行每个代码所需的参数数量，而且指每个参数在运动方程的相应积分中引入的可变性。BALISTICA是用Python编写的，以利用科学界对这种编程语言越来越熟悉的方式，以及SciPy [3]等库的存在，这些库为计算轨迹中涉及的数值问题提供直接解决方案。因此，我们工作的相关性在于创造一种用户体验，允许快速实验和模型改进，而无需退出平台，同时保持科学的严谨性。1.1. 代码结构和控制BALISTICA的代码是以实验物理代码的概念为核心构建的，需要由专门的引擎根据底层物理来实现每个专用引擎都继承和/或覆盖实现方程积分过程的必要方法，并提供对可视化有用的报告观测值。对应于每个物理引擎，GUI已被设计为匹配数据输入并提供各种控件。表1描述了所有模型通用的数据输入。类似地，对于所有分析，BALISTICA报告了与野外工作经验和对火成碎屑的需求一致的六个可观测值：飞行期间覆盖的距离范围，最大高度，到达最大高度的时间，飞行时间，以及撞击的速度和角度。对于所有数值分析，我们提供了与理想（牛顿）情况对比的选项1.2. 具体弹道模型关于BALISTICA提供的各种仿真模型，我们的目标是识别和整合现有的和新兴的研究连贯地到套件中，同时考虑到研究和教育。后者需要确定由假设和实验数据（如果可用）确定的建模复杂性的进展。因此，模型可以分为两大类：一类是解析解，另一类是需要数值积分的。在后者中，我们将它们细分为阻力系数取决于关于速度（），以及它依赖于平方的那些 ���速度（速度2）。���四个模型包括风对碎片沉积的影响，两个最先进的模型允许指定保存为PNG将最新数据的副本作为PNG图像存储在磁盘阻力系数动态变化的片段的形状因子（Δf）。 ���最后，最先进的模型引入了大气效应。在撰写本文时，我们正在集成另一个已知的模型，包括虚拟质量和Basset力[4]。1.3. 哥斯达黎加Poás和Alzuzú火山碎片沉积模拟BALISTICA已经应用于哥斯达黎加的三座火山，即Alzuzú [5]，Turrialba [1]和Rincón de la Vieja [6]，其指导思想如下。根据Chouet等人的研究[7]，小颗粒对周围气体的波动反应迅速，而较大碎片的反应则慢得多;它们对平均气体速度的反应比瞬时气体速度的反应更强烈。这个想法也被Self等人采纳[8]通过声称大碎屑的轨迹明显独立于气相动力学，尽管这可以被上升的气体在开始时改变。火山爆发这些构成了Fagents和Wilson [9]在他们经常被引用的作品中使用的基本思想。最近，De Zeleli等人[10]对火山喷发进行了定量研究，结果表明，直径达1米的碎屑可能会由于与周围气体和火山灰混合物的相互作用而明显偏离理想情况。他们的结论是，碎屑及其周围的气体和灰烬在第一秒半内强烈耦合，从那时起耦合基本上消失了。Pioli和Harris [11]支持这一观点，指出所有研究的爆炸都是从不超过1.5秒的瞬态开始的，无论事件的总持续时间如何（见图2）。①的人。在我们的工作中，碎屑的轨迹被分为两个阶段：初始阶段由陨石坑的几何形状定义，其中碎屑的轨迹被视为一个理想的情况下，从它被喷射到它到达陨石坑的边缘点。被管道和火山口包围的气体和灰烬混合物然后被认为在现在可用的开放体积中瞬时膨胀。气体-颗粒系统的几个多相模型表明，管道内的压力在距离通风口不超过50米处达到大气压力[12，13]。从这里开始，碎屑被分析为在牛顿状态下移动，具有恒定的阻力系数，其中包括作为输入的半轴和密度，以及可能存在的风。这种方法与Kelfoun等人[14]的观察结果一致，他们报告说，当一个大颗粒离开陨石坑边缘上方的气体射流时，会发生强烈的减速。由于连续性条件，初始角度和速度定义了第一级的最终角度和速度的整个轨迹作为一项附加试验，第一级的飞行时间必须如前所述在1.5秒左右2. 影响概述2.1. 研究碎片沉积物建模和模拟是实现更好地了解火山事件的具体属性S. Núñez-Corrales和J. Brenes-André软件影响16（2023）1004883Fig. 1. 示例使用的数值模式，其中，大气参数和风的影响。���屏幕右侧的图显示（ ）与 。没有在这种情况下设置了障碍碎片轨迹由形成和喷出时间的属性决定，而这些属性又取决于火山碎屑的特征及其潜在的地球物理过程。因此，结合多种类型的证据（例如连续监测、地层分析、显微镜检查、岩石化学），轨迹重建成为揭示火山特征的有力工具。在实践中，这意味着一个迭代过程，当存在多个证据时，这个过程可能会变得非常复杂。为了驯服这种复杂性-来自相应的参数搜索空间的广阔性-我们的哲学是添加剂证据明智的。为数据找到最适当的模型的方法是：（a）放弃不佳证据，（b）减少现有证据的不确定性，（c）了解是否有理由在模型中增加新的因素，或者是否需要进一步的实地工作。通过专家标准，在BALISTICA之外经常会出现丢弃不良证据的情况，但当更多关于碎片沉积物的数据可用时，我们的套件可用于重新评估证据。减少现有证据的不确定性可以被解释为为最复杂的模型找到最佳调整参数，这些模型被数据证明是合理的，而放弃了更简单的例如，如果无法准确测量冲击角度，则了解该值的动态范围在仍然使用更简单的模型来调整其他参数的同时， 作为初始速度。同样，在没有气象数据或记录指向特定日期和时间的情况下，使用引入风效应的模型不容易被证明是合理的，除非目的是在合理的近似范围内迭代重建它们。因此，正如上面简要描述的两个案例所证明的那样，BALISTICA在碎片沉积物分析中扮演的最重要的角色是灵活地开发和测试假设，而不会随着新的可用数据的复杂性增加而失去严谨性。我们已经成功地将BALISTICA应用于三个具有地理和社会经济相关性的火山的火山灾害研究：图里亚尔瓦[1]、拉苏[5]和林孔德拉维耶哈。比如说，收集了18个来自伊苏火山的碎片，并进行了形态学表征。每个碎片的数据记录器包括北向和东向坐标（CRTM05），海平面以上的高度（m.a.s.l.），距通风口的水平距离（m）、直径（m）、形状和密度（g/cm2）。对喷口几何形状的研究提供了限制输入参数所需的信息，特别是初始角度和速度。这样做的结果是选择假定的30°、45°和60°角，初始速度与文献中报道的速度成比例。在考虑风向后，估计阻力系数和 其调制因子，模型参数进行调整，以最佳拟合现场观测。上述第一级在地面上的最终速度分量用作套件中可用的牛顿阻力模型的输入值。只有以测得的撞击角度击中撞击点的碎屑的模型结果才被视为解决办法。对其他碎屑进行了重新测试，并在几种情况下找到了可行的解决方案因此，选择提供最佳拟合的模型和参数有助于进一步解释对哥斯达黎加农业、公共卫生和住房基础设施造成重大负面影响的喷发时期。伊瓜苏火山仍然是该国近40%人口居住的大都市区的重大危险。使用BALISTICA，每个弹道碎片可以与三个喷发期之一联系起来：1963年4月，1963年12月和1964年3月。这些法医分析证实了作者提出的陨石坑直径扩大机制的假设。对于图里亚尔瓦火山，分析了一个可用的弹道，表明击中护林员总部浴室的碎屑的最终速度足够高，可以穿过屋顶。2.2. 教育我们为BALISTICA设定的一个同样重要的目标是能够在专家和学生之间进行知识和经验的转移，从地球科学本科生到研究生和博士后研究员。由于火山事件发生的频率相对较低，因此最大限度地利用现有证据成为优先事项;要精通这一点，需要长时间接触样本收集和分析。BALISTICA解决了学生教育的第二个组成部分，他们未来的工作将直接或间接地与通过分析碎片沉积物重建火山（或其他与地质学有关的）事件有关。我们预见我们的套件可以通过三种主要方式帮助实现这一目标：S. Núñez-Corrales和J. Brenes-André软件影响16（2023）10048841. 作为教育环境中的独立套件，BALISTICA可以 作为一种课堂资源，旨在建立分析各种碎片矿床所必需的地球物理直觉目录;2. 作为实际研究项目背景下的一种工具，学生参与广泛的学术阶段（从本科生到博士后），可以确定具体任务并轻松执行以测试项目假设;以及3. 作为专家研究人员的工具，以跨计算平台的可复制方式记录他们的发现，然后可以重新打包并转换为学习材料。作为进一步促进跨物理学教育使用该工具的一种手段，我们正在添加两个新功能：以JSON格式保存参数和实验结果的能力，以确保未来的互操作性，并为面向软件的从业者提供API，以开发可扩展的笔记本[15]，在使用我们的代码的同时充实所有与编程相关的方面3. 结论我们已经描述了BALISTICA，一个软件套件，战略集成多个数学模型，旨在重建火山爆发期间产生的碎片沉积物的弹道轨迹。为此，我们已经描述了我们的软件集成和去-Sign支持使用现场数据，专注于帮助专家和从业者有效地划分适用参数的空间。我们在重建各种碎片存款从三个火山在哥斯达黎加的经验表明，我们的套件，以促进获得合理的参数和结果的能力。目前，我们的目标是进一步向相关科学界传播我们的守则，并将其推广到与火山和其他与地质有关的事件研究CRediT作者贡献声明Santiago Núñez-Corrales：方法，软件，资源，写作-原始草稿。José Brenes-André：概念化，调查，验证，资源，写作-原始草案，监督，项目管理。竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作致谢Núnez-Corrales感谢国家超级计算应用中心在开源软件发布方法和实践方面该项目得到了哥斯达黎加国家气象局Red Ciudadana的引用[1]J. Brenes-André，使用Balística软件分析图里亚尔瓦火山（哥斯达黎加）的案例，Revista Geológica De América Central 68（2022）。[2] B. Houghton，R.J. Carey，Pyroclastic fall deposits，in：The EncyclopediaofVolcanoes，Elsevier，2015，pp. 599-616[3] P. 维尔塔嫩河Gommers，T. E.Oliphant，M.Haberland，T.Reddy，D.库纳波，E. Burovski，P. Peterson，W. Weckesser，J. Bright等，SciPy 1.0：Python中科学计算的基本算法，Nature Methods 17（3）（2020）261-272。[4] D. Bertin，考虑水平风场和可变形状相关阻力系数的椭球形火山抛射体的三维弹道输运，J. Geophys。决议：固体地球122（2）（2017）1126-1151。[5] G.E. 阿尔瓦拉多湾Campos-Duran，J.Brenes-André，Y.阿尔皮萨尔湾努涅斯·科拉莱斯L.作者：J.P. Fallas，Peligros Volcánicos del Cristozú，哥斯达黎加，技术代表：Unidad de Investigación y Análisis del Riesgo，Comisión NacionaldeExposenciónde Riesgosy Atención de Emergencias（CNE），2021.[6] G.E. Alvarado ， J. Venegas ， Y. 阿 尔 皮 萨 尔 湾 Núñez Corrales ， M. 桑 切 斯 湾Abarca，J. Abarca，W.A. Báez，J.P. Sibaja，L. Esquivel，T. Arcia，Análisis delPeligro Volcánico del Rincón de la Vieja，哥斯达黎加，技术代表：哥斯达黎加电力研究所，2022年。[7] B. Chouet，N. Hamisevicz，T.R.张文龙，火山喷流活动的光弹道学研 究 ， 北京：中国科学技术出版社。地球物理学家。Res. 79（32）（1974）4961[8] S. Self，J. Kienle，J.- P. 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