NASA的新人工智能模型DAGGER可保護地球免受危險的太空天氣影響
就像美國中心地帶危及生命的風暴的龍捲風警報器一樣,一個結合了人工智能(AI)和NASA衛星數據的新計算機模型可以為危險的太空天氣拉響警報。該模型使用人工智能來分析航天器對太陽風(來自太陽的無情物質流)的測量,並預測即將到來的太陽風暴將在地球上的任何地方襲擊,並提前30分鐘發出警告。這可以提供足夠的時間為這些風暴做準備,防止對電網和其他關鍵基礎設施的嚴重影響。
太陽風是一股來自太陽的物質流,從各個方向流動,將太陽的磁場帶到太空。雖然它的密度比地球上的風小得多,但它的速度卻快得多,通常以每小時100萬至200萬英里的速度吹動。太陽風是由帶電粒子–電子和電離原子組成的,它們與太陽的磁場相互作用。太陽風的範圍創造了日光層,即太陽在星際空間的影響區域。
太陽不斷地將太陽物質拋入太空–既包括被稱為”太陽風”的穩定氣流,也包括太陽爆發時的更短、更有能量的爆發。當這些太陽物質撞擊地球的磁環境(它的”磁層”)時,它有時會產生所謂的地磁暴。這些磁暴的影響從溫和到極端不等,但在一個越來越依賴技術的世界裡,它們的影響也正變得越來越具有破壞性。

美國宇航局的太陽動力學觀測站在2014年10月2日拍攝了這張太陽耀斑的圖像。太陽耀斑是頂部的明亮閃光。在它的右邊可以看到爆發出的太陽物質進入太空。資料來源:NASA/SDO
例如,1989年的一場破壞性的太陽風暴導致整個魁北克省停電12小時,使數百萬加拿大人陷入黑暗,學校和企業關閉。有記錄以來最強烈的太陽風暴,即1859年的卡林頓事件直接引發了電報站的火災,使信息無法發送。如果卡林頓事件發生在今天,它將產生更嚴重的影響,如廣泛的電力中斷,持續的停電,以及全球通信的中斷。這種技術混亂可能會使經濟癱瘓,並危及全世界人民的安全和生計。
此外,隨著我們接近下一個”太陽最大值”–太陽11年活動週期中的一個高峰–預計將在2025年的某個時候到來,地磁暴和對我們社會的破壞性影響的風險目前正在增加。
為了幫助這種準備工作,前沿發展實驗室的一個國際研究小組–一個包括美國宇航局、美國地質調查局和美國能源部在內的公私合營機構–一直在使用人工智能(AI)來尋找太陽風和地磁干擾(或稱擾動)之間的聯繫,這些擾動對我們的技術造成了破壞。研究人員應用了一種叫做”深度學習”的人工智能方法,這種方法訓練計算機根據以前的例子來識別模式。他們使用這種類型的人工智能來識別來自太陽物理任務(包括ACE、Wind、IMP-8和Geotail)的太陽風測量值和在地球上的地面站觀察到的地磁擾動之間的關係。
由此,他們開發了一個名為DAGGER(正式名稱為深度學習地磁擾動)的計算機模型,可以快速準確地預測世界各地的地磁擾動,在它們發生前30分鐘。據該團隊稱,該模型可以在一秒鐘內產生預測結果,而且預測結果每分鐘更新一次。
DAGGER團隊用2011年8月和2015年3月發生的兩次地磁暴測試了該模型。在每一種情況下,DAGGER都能夠快速、準確地預測風暴對全世界的影響。

DAGGER的開發者將模型的預測與2011年8月和2015年3月的太陽風暴期間的測量結果進行了比較。在頂部,彩色的小點顯示了2011年風暴期間的測量結果。顏色表示可以在電網中引起電流的地磁擾動的強度,橙色和紅色表示最強的影響。DAGGER對同一時間的30分鐘預測(底部)顯示了地球北極周圍大約相同位置的最強烈擾動。資料來源:V. Upendran等人。
以前的預測模型使用人工智能來產生地球上特定地點的局部地磁預測。其他沒有使用人工智能的模型所提供的全球預測並不十分及時。DAGGER是第一個將人工智能的迅速分析與來自太空和整個地球的真實測量結合起來,以產生經常更新的預測,這些預測對世界各地的站點來說既迅速又精確。
印度大學間天文學和天體物理學中心的Vishal Upendran說:”有了這種人工智能,現在就有可能在太陽風暴發生時進行快速和準確的全球預測並為決策提供依據,從而最大限度地減少–甚至防止–對現代社會的破壞,”他是發表在《空間天氣》雜誌上關於DAGGER模型論文的主要作者。
DAGGER模型的計算機代碼是開源的,據Upendran說,它可以在完成定制後被電網運營商、衛星控制器、電信公司和其他機構採用,以應用預測來滿足他們的具體需求。這種警告可以讓他們有時間採取行動,保護他們的資產和基礎設施免受即將到來的太陽風暴的影響,例如暫時關閉敏感系統或將衛星移到不同的軌道上,以減少損失。
有了像DAGGER這樣的模型,有一天會有太陽風暴警報器在世界各地的發電站和衛星控制中心發出警報,就像龍捲風警報器在美國各城鎮威脅性陸地天氣之前發出的警報一樣。