Физики экстренно учат нейросети предсказывать фатальную космическую погоду.
Солнечная буря может начаться далеко от Земли, но последствия быстро добираются до вполне земных систем: электросетей, железных дорог, спутниковой связи и навигации. Потоки солнечного ветра и геомагнитные возмущения раскачивают магнитосферу и ионосферу, из-за чего в электрическом и магнитном поле появляются заметные изменения. Для учёных проблема осложняется тем, что часть этих сигналов похожа на более слабые следы природных катастроф, например крупных извержений или других процессов, которые тоже доходят до верхних слоёв атмосферы.
И это уже давно не абстрактная опасность. 3 февраля 2022 года умеренное космическое погодное событие привело к крупной потере спутников SpaceX. Вскоре после запуска компания лишилась 38 из 49 аппаратов Starlink. Событие показало неприятную вещь: даже не самая мощная геомагнитная буря способна заметно ударить по дорогой инфраструктуре, если прогноз оказался недостаточно точным.
На Генеральной ассамблее Европейского союза наук о Земле EGU26 представили проект Swarm-AWARE, который запустило Европейское космическое агентство. Полное название проекта - Swarm Investigation of Space Weather and Natural Hazards Effects. Команда хочет научиться точнее отделять электромагнитные следы космической погоды от сигналов, связанных с природными опасностями на Земле.
Проект опирается на спутники Swarm. Эти аппараты измеряют магнитное поле Земли, плотность и температуру плазмы, электрические поля и другие параметры околоземной среды. Одних спутниковых данных недостаточно, поэтому исследователи объединяют измерения Swarm с наземными наблюдениями и данными Copernicus Sentinel-5P. Георгиос Баласис из Национальной обсерватории Афин объяснил, что такой набор источников помогает понять, где ионосфера реагирует на солнечную активность, а где сигнал связан с земным событием.
Мы в MAX. Простите.
Ионосфера находится высоко в атмосфере и содержит заряженные частицы. Радиосвязь, навигационные сигналы и часть спутниковых систем зависят от состояния этого слоя. Когда солнечный ветер меняет магнитное поле планеты, в ионосфере возникают возмущения. Похожие изменения могут прийти снизу: мощное извержение, ударная волна или атмосферные колебания способны подняться до верхних слоёв атмосферы и оставить электромагнитный след. Если смешать эти источники, прогнозы для инфраструктуры теряют точность.
Хорошим тестом для Swarm-AWARE стало извержение вулкана Хунга-Тонга в 2022 году. Взрыв выбросил огромное количество воды из южной части Тихого океана в стратосферу и породил волны, которые дошли до верхней атмосферы. В ионосфере после этого возникли сильные изменения плотности. Волны также вызвали электрические поля, которые пошли вдоль линий магнитного поля Земли и почти сразу проявились на противоположной стороне Тихого океана. Магнитометры Swarm зарегистрировали эти возмущения.
Для исследователей пример Хунга-Тонга важен как эталонный случай. Вулкан находился на Земле, но сигнал поднялся так высоко, что спутники увидели последствия в околоземной среде. Похожая картина может запутать системы мониторинга, если одновременно действует солнечная активность. Swarm-AWARE как раз должен помочь разобрать сложную смесь сигналов и показать, какой источник вызвал конкретное изменение.
Команда проекта будет применять машинное обучение и продвинутый анализ временных рядов. Проще говоря, алгоритмы будут искать закономерности в длинных цепочках спутниковых и наземных измерений: где сигнал растёт, как быстро распространяется, совпадает ли с солнечной бурей, вулканическим событием или другим природным процессом. Такой подход должен улучшить понимание того, как космическая погода влияет на инфраструктуру, связь и системы раннего предупреждения.
Конечная цель Swarm-AWARE не ограничивается научными публикациями. Если исследователи научатся увереннее различать источники электромагнитных возмущений, операторы спутников, энергетики, транспортные службы и центры мониторинга смогут быстрее оценивать риски почти в реальном времени. Для инфраструктуры разница принципиальная: одно дело - временный шум в данных, другое - начало события, которое может вывести из строя спутники, нарушить связь или создать проблемы для электросетей.