Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki w 2024 r. Została przyznana Johnowi Hopfieldowi ze Stanów Zjednoczonych i Geoffrey Hinton, kanadyjskiego naukowca pochodzenia brytyjskiego, za przełomową pracę w dziedzinie uczenia maszynowego i sztucznych sieci neuronowych. Ta technologia transformacyjna tworzy obecnie fale w różnych dziedzinach, w tym w badaniach atmosferycznych. Jednym z takich przykładów jest niezwykłe badanie dotyczące prognozowania zachowania jonosfery Ziemi, pokazujące, w jaki sposób sieci neuronowe rewolucjonizują eksplorację naukową.

Niezwykły postęp w zrozumieniu zachowania jonosfery Ziemi poczyniono poprzez nowe badanie dokładności przewidywania całkowitej zawartości elektronów w regionach równikowych. Naukowcy Dr Olga Maltseva i dr Artem Kharakhashyan z południowego uniwersytetu federalnego w Rosji badali, w jaki sposób dokładność przewidywania różni się w różnych lokalizacjach w pobliżu równika. Ich ustalenia, oparte na zaawansowanych metodach uczenia się, są szczegółowo opisane w recenzowanym czasopiśmie Geodesy and Geodynamics.

Warstwa atmosfery znanej jako jonosfera, która jest naładowana wolnymi elektronami i jonami, ma kluczowe znaczenie dla globalnych systemów nawigacyjnych i sieci komunikacyjnych, ponieważ wpływa na sposób, w jaki sygnały przemieszczają się w przestrzeni. Całkowita zawartość elektronów, miara wszystkich naładowanych cząstek w kolumnie jonosfery, była niezwykle trudna do dokładnego prognozowania. Podczas gdy wcześniejsze badania często opierały się na ograniczonych danych i starszych metodach, w badaniach tych wykorzystuje najnowocześniejsze modele uczenia się, które „wyglądają” w obu kierunkach czasu, znacznie poprawiając prognozy w odstępach krótkoterminowych i długoterminowych.

Dr Maltseva i jej zespół zbadali dane z czternastu stacji umieszczonych w pobliżu równika, wykorzystując globalne mapy utworzone przez Laboratorium Jet Propulsion w celu analizy różnic w całkowitej zawartości elektronów. Mapy te zawierają szczegółowy obraz zmiany jonosfery na całym świecie. Modele zostały przeszkolone przy użyciu danych dotyczących aktywności słonecznej, które odnoszą się do zmian wyjścia energii Słońca, wpływów geomagnetycznych, które są efektami spowodowanymi przez pole magnetyczne Ziemi i inne czynniki atmosferyczne. Te innowacyjne metody przewyższały wcześniejsze, zapewniając dokładniejsze prognozy, jednocześnie eliminując rozbieżności spowodowane różnicami geograficznymi. Starsze metody miały tendencję do osiągania wyników, które różniły się w zależności od lokalizacji, co czyni je mniej niezawodnymi na całym świecie.

Dr Maltseva podkreślił znaczenie tego: „Nasze ustalenia potwierdzają, że podejścia dwukierunkowe nie tylko zwiększają precyzję prognozowania, ale także zneutralizują zmienność geograficzną marginesów błędów, oferując solidne rozwiązanie globalnego monitorowania jonosferycznego”.

Kompleksowa analiza obejmowała takie stacje, jak NIUE, Jicamarca i Darwin, które zapewniły cenne wgląd w to, jak łączy całkowita zawartość elektronów w różnych warunkach atmosferycznych. W szczególności, podczas znacznej burzy magnetycznej, tymczasowe zakłócenia w polu magnetycznym Ziemi spowodowane aktywnością słoneczną, w grudniu 2015 r. Modele osiągnęły utrzymanie ich dokładności, wykazując odporność nawet w ekstremalnych warunkach pogodowych w kosmosie.

Przełom takie jak te podkreślają potencjał zaawansowanej technologii w badaniach jonosferycznych. Rozwiązując różnice w niezawodności przewidywania w różnych lokalizacjach, modele te otwierają drzwi do poprawy usług, takich jak globalna nawigacja i reakcja na katastrofę. Przyszłe zastosowania mogą obejmować integrację w czasie rzeczywistym z danymi satelitarnymi w celu dalszego zwiększenia prognoz i pomocy w zmniejszeniu ryzyka związanych z zakłóceniami naturalnymi lub wykonanymi przez człowieka.

Referencje dziennika

Kharakhashyan, A., i Maltseva, O. (2024). „Podłużna zależność prognozy dokładności jonosferycznej zawartości elektronów w strefie równikowej”. Geodezja i geodynamika, 15 (2024), 528-541. Doi: https://doi.org/10.1016/j.geog.2024.02.001

O autorze

Dr. Olga Maltseva jest wiodącym badaczem w Research Institute for Physics of Southern Federal University w Rostov-on-Don w Rosji. Podczas swojej długiej kariery opublikowała wiele artykułów czasopism i niektóre monografie w modelowaniu propagacji fal radiowych różnych pasm częstotliwości w jonosferze i magnetosferze. Jej obecne zainteresowanie obejmuje weryfikację empirycznych modeli jonosferycznych, przyswajanie całkowitej zawartości elektronów (TEC) do tych modeli oraz badanie wpływu burz magnetycznych na globalne rozkłady TEC.