Umělá inteligence jako nástroj pro předpovídání slunečních bouří v NASA

Varování před sluneční bouří: NASA se obrací na AI

NASA využívá prediktivní model umělé inteligence pro předvídání slunečních bouří. Díky síle neuronových sítí prediktivního modelu dokáže AI předpovědět polohu nadcházející sluneční bouře s předstihem 30 minut. Hlavním zdrojem dat pro natrénování modelu se stávají vesmírné technologie, jako jsou například družice. Ačkoli možná sami solární bouře příliš nevnímáte, solární bouře mohou narušit například satelitní operátory, elektrické sítě či letecké a telekomunikační společnosti. 

Zatímco tyto narušení znepokojují zejména provozovatele sítí nebo aerolinky, pro veřejnost se pak jedná spíše o úchvatnou podívanou na solárním nebo jižním pólu – jevy, které známe pod jménem Aurora Borealis (sever) a Aurora Australis (jih). 

Obrázek 1 – Midjourney

Z hlediska technologií se však jedná o klíčový průlom, díky němuž se mohou připravit na nadcházející solární bouře a nasadit preventivní opatření, bez nichž by jinak mohlo dojít například k výpadku sítě, narušení telekomunikace či poškození oběžných družic. 

Příklad předčasného varování před vulkanickými erupcemi na Islandu

Na Islandu, má-li dojít k vulkanické erupci, jsou rozeslány všem obyvatelům zprávy v podobě SMS (stejně jako návštěvníkům). Ve zprávě se klade důraz na urychlenou evakuaci oblastí, bezprostředně blízkých vulkánu. Lidé, kteří takto narychlo musí opustit svá stavení, bývají obvykle již připraveni, je totiž povinností mít doma sbalené základní potřeby. Ve většině vesnic a měst se nachází na kopci kostel, u něhož je vybetonována přistávací plošina pro vrtulník, kam se lidé mají dostavit do 60 minut, a odkud jsou následně i evakuováni. Tato systematika slouží jako dobrý příklad toho, jak technologie pro předčasné varování mohou zachránit mnoho životů a pomoci lidem se lépe připravit na nadcházející nebezpečí.

Sluneční bouře: Neviditelná hrozba pro technologie

Abychom však plně pochopili podstatu a relevanci tohoto modelu, je nejprve důležité vůbec pochopit, co to sluneční bouře jsou, jak vznikají, jaké mohou mít účinky a kde se s nimi můžeme setkat. Tak pojďme na to!

Sluneční bouře jsou intenzivní narušení způsobené náhlým uvolněním energie ze Slunce. Toto uvolnění energie je důsledkem komplexních procesů, které se odehrávají v sluneční atmosféře, známé jako koróně.

Jak sluneční erupce vznikají

Slunce si můžete představit jako obrovský dynamo, které produkuje magnetické pole. Toto pole je generováno pohybem plazmy, což je proud nabitých částic, uvnitř Slunce. Můžete si to představit jako obrovský mixér, který míchá těsto – v tomto případě plazmu. Tento pohyb vytváří složité magnetické pole.

Skupiny skvrn na Slunci, oblasti s vysokou magnetickou aktivitou, mají obvykle dvě části s opačným znaménkem magnetického pole. První část, která se v důsledku rotace Slunce pohybuje přes sluneční disk, se nazývá vedoucí a má kladnou polaritu. Druhá část, která následuje za vedoucí, se nazývá zadní a má zápornou polaritu. Na opačné polokouli Slunce jsou tyto polarity přehozené.

Představte si to jako dva magnety, které se pohybují po povrchu obrovského míčku. Jeden magnet je kladný a druhý je záporný. Jak se pohybují, jejich magnetické pole se stáčí a zakrucuje. Když se tyto magnetické siločáry „zlomí a znovu se spojí“, uvolní se obrovské množství energie. To je podobné tomu, co se děje na Slunci během sluneční erupce.

Když se tyto siločáry opačné polarity přiblíží, dojde k jejich přepojení, což je doprovázeno uvolněním přebytečné energie ve formě záření ve všech vlnových délkách, včetně rentgenového, ultrafialového a gama záření, a uvolněním zahřátého plazmatu. Tento jev se nazývá rekonekce (znovu spojení) a sluneční erupci. Oblak plazmatu se může od Slunce odtrhnout a vydat se na cestu sluneční soustavou, kde po kontaktu s magnetickým polem planet dá vzniknout polární záři.

Obrázek 2 – Zdroj: https://th.bing.com/th/id/R.3b8a49d18bc09c432b0757cdbada80b5?rik=KNpe9g4uBtaLLw&riu=http%3a%2f%2fwww.nasa.gov%2fsites%2fdefault%2ffiles%2flatest_1024_hmiic_0.jpg&ehk=PlPwf3DjxbtPMR6zZbHuvo0dCQnUqZqH4hYpMjcQndI%3d&risl=&pid=ImgRaw&r=0

Takže, když se na Slunci objeví skvrna, je to jako když vaříte polévku, a na polévce se při vaření vytvoří bublina. Tato bublina je plná energie a když praskne, uvolní se obrovské množství energie ve formě záření, prvků a žhavého materiálu. Tato erupce pak může ovlivnit Zemi a jiné planety v naší sluneční soustavě. Mimo jiné, díky těmto uvolněným délkám u jiných hvězd pak zjistíme, v jaké fázi života jsou, jak daleko jsou či jakou mají velikost a váhu, a to i když jsou od nás vzdálené tisíce světelných let. Tento obor se nazývá spektroskopie.

Sluneční erupce (jednoduše)

Sluneční erupce jsou náhlé výrony energie, které mohou vyvrhnout částice a záření do vesmíru rychlostmi až několik milionů kilometrů za hodinu. Tento materiál, který zahrnuje stálý proud částic známý jako „sluneční vítr“ a žhavý materiál hvězdy, může interagovat s magnetickým prostředím Země, známým jako „magnetosféra“, a vyvolat geomagnetické bouře.

Obrázek 3 – Zdroj: prompt [hot, thundering sun, realistic, universe, –ar 16:9 ]

Geomagnetické bouře a jejich dopad na technologie

Geomagnetické bouře se liší v intenzitě a mohou narušit náš technologicky závislý svět. Tyto bouře mohou narušit fungování satelitů, což může vést k přerušení komunikace, navigace a dalších služeb závislých na satelitech. Dále mohou způsobit výpadky v elektrické síti, a dokonce poškodit transformátory a další infrastrukturu.

Role atmosféry v ochraně proti slunečním bouřím

Atmosféra Země hraje klíčovou roli v ochraně naší planety před slunečními bouřemi. Horní vrstvy atmosféry, známé jako ionosféra a magnetosféra, pohlcují a odrážejí většinu škodlivého slunečního záření.

Když sluneční vítr interaguje s magnetosférou Země, může to vyvolat nádherné světelné jevy známé jako polární záře neboli Aurora Borealis na severní polokouli a Aurora Australis na jižní polokouli. Tyto záře jsou výsledkem interakce částic slunečního větru s horními vrstvami atmosféry Země.

Jak teda můžete vidět, solární bouře nejsou žádná sranda, podobně jako se krásná květina může ukázat jako jedovatá, i solární bouře přes své nádherné scenérie na severním a jižním pólu mohou zanechat značné škody na technologiích a infrastruktuře.

Mezinárodní tým odborníků a jejich přístup k řešení problému

Mezinárodní tým odborníků, včetně NASA, United States Geological Survey a United States Department of Energy, využívá umělou inteligenci k identifikaci vazeb mezi slunečními větry a narušujícími geomagnetickými poruchami. Vědecké týmy se snaží najít způsoby, jak odhalit solární bouře dopředu pomocí „hlubokého učení“, části umělé inteligence, která využívají neuronové sítě pro analyzování velkých množství dat. Hluboké učení umožňuje na těchto datech rozpoznávat opakující se vzorce a případné anomálie – to poskytuje modelu velkou výhodu v rozpoznávání vzniků solárních bouří často ještě před tím, než k nim dojde.

DAGGER: Průlomový model pro předpovídání geomagnetických bouří

Vědeckému týmu se podařilo vyvinout počítačový model nazvaný DAGGER (Deep Learning Geomagnetic Perturbation), který přesně předpovídá globální geomagnetické bouře s 30minutovým předstihem. Model generuje předpovědi během několika sekund a aktualizuje je každou minutu. Testy provedené na modelu pomocí geomagnetických bouří ze srpna 2011 a března 2015 prokázaly přesné předpovědi DAGGERu o globálních dopadech bouří.

DAGGER je proto průlomový prediktivní model kombinující AI s reálnými měřeními a daty z vesmíru a Země. DAGGER je poté schopen poskytnout včasné a přesné geomagnetické předpovědi pro celý svět. Mimo jiné, Kód modelu je dostupný jako open source – tedy zdrojový kód, k němuž mohou lidé volně přistupovat případně si ho stáhnout a modifikovat. Z pohledu NASY se jedná o strategický krok, poněvadž díky tomu mohou jednotliví operátoři elektrických sítí, řadiči satelitů, telekomunikační společnosti a další využívat model a přizpůsobovat si ho pro své konkrétní účely.

Proč je to tak důležité?

Využitím těchto předpovědí mohou zainteresované strany dostávat předčasné varování před slunečními bouřemi a implementovat nezbytná opatření na ochranu svých aktiv a infrastruktury. Tato opatření mohou zahrnovat dočasné vypnutí citlivých systémů nebo přeorientování satelitů, aby se minimalizoval potenciální škody. Pokud je solární bouře nevyhnutelná, mohou někteří operátoři informovat své zákazníky o nadcházejícím krátkém výpadku. Tato informace je velmi důležitá, poněvadž umožní uživatelům se připravit a uložit si své práce. 

Asi by úplně nebylo příjemné vysvětlovat šéfovi v práci, že jste zadaný projekt nestihli kvůli slunečním erupcím a přílišnému narušení atmosféry solárními větry, které zapříčinily výpadek Vašeho systému, a spolu s ním i výpadek Vašeho neuloženého projektu.

Budoucnost předpovědi slunečních bouří

Modely jako DAGGER by jednoho dne mohly umožnit instalaci sirén pro sluneční bouře v elektrárnách a kontrolních centrech satelitů po celém světě. Podobně jako sirény pro tornáda varující před blížícím se těžkým počasím by tyto sirény pro sluneční bouře sloužily jako alarmující systém pro potenciální sluneční bouře blížící se k Zemi.

Obrázek 4 – Zdroj: prompt [hot, thundering sun, realistic, universe, –ar 16:9 ]

Závěr

Sluneční bouře představují významnou hrozbu pro naši technologicky závislou společnost, ale díky pokroku v oblasti AI a hlubokého učení se dokážeme stále lépe připravovat na přírodní zákony, které nám často metají klacky pod nohy svými tornády, vulkanickými erupcemi, povodněmi apodů. Práce NASA a dalších organizací na vývoji a využití AI modelů, jako je DAGGER, nám dává naději, že budeme schopni lépe předvídat a minimalizovat dopady těchto bouří v budoucnosti.