Ученые из Грацского университета (Австрия), Сколтеха и их коллеги из США и Германии разработали новую нейронную сеть, способную обнаруживать корональные дыры на основе данных космических наблюдений. Новое приложение открывает возможности для повышения точности прогнозирования космической погоды и обеспечивает ценную информацию для исследования циклов солнечной активности. Статья с описанием результатов исследования опубликована в журнале Astronomy & Astrophysics.
Солнце – это источник жизни на Земле. «Жизнь» электроники также зависит от уровня активности нашей ближайшей звезды и ее взаимодействия с магнитным полем Земли. Хотя для человеческого глаза Солнце всегда выглядит одинаково, оно очень активно и является источником частых выбросов солнечной энергии, вызывающих геомагнитные бури на Земле. Именно поэтому с помощью спутниковых телескопов ведется непрерывное наблюдение за внешней атмосферой Солнца - солнечной короной.
Одна из характерных особенностей этих наблюдений — наличие обширных темных участков, так называемых корональных дыр. А темными они выглядят потому, что частицы плазмы могут свободно распространяться в космическое пространство вдоль открытых линий магнитного поля, оставляя «дыру» в короне. Именно из таких частиц образуется мощный поток высокоскоростного солнечного ветра, который, достигая поверхности Земли, может вызывать геомагнитные бури. Внешний вид и расположение дыр на Солнце меняются в зависимости от уровня солнечной активности, и это важно для исследования долгосрочной динамики активности Солнца.
«Обнаружение корональных дыр − сложная задача не только для традиционных алгоритмов, но и для наблюдателей, поскольку в солнечной атмосфере присутствуют и другие темные области, например, протуберанцы, которые можно легко спутать с корональной дырой», − рассказывает ведущий автор статьи, научный сотрудник Грацcкого университета Роберт Яролим.
В своей статье авторы описывают сверточную нейронную сеть CHRONNOS (Coronal Hole RecOgnition Neural Network Over multi-Spectral-data), которую они разработали специально для обнаружения корональных дыр. «Благодаря искусственному интеллекту мы можем идентифицировать корональные дыры по таким критериям, как интенсивность, форма и свойства магнитного поля. Те же критерии учитываются и человеком в процессе наблюдения», − отмечает Роберт Яролим.
«Солнечная атмосфера выглядит по-разному в зависимости от длины волны, на которой ведется наблюдение. В качестве входных данных для нейронной сети мы использовали изображения, полученные на разных длинах волн крайней ультрафиолетовой области спектра (EUV), а также карты магнитного поля, с помощью которых сеть смогла установить взаимосвязи между разными видами многоканальной информации», − добавляет соавтор статьи, профессор Грацского университета Астрид Верониг.
Авторы обучили свою модель на приблизительно 1700 изображениях, полученных за период с 2010 по 2017 год, и показали, что метод работает при любых уровнях солнечной активности. Сравнение полученных с помощью нейронной сети результатов с данными по обнаружению 261 корональной дыры в ручном режиме показало совпадение результатов в 98% случаев. Кроме того, авторы исследовали результаты обнаружения корональных дыр по картам магнитного поля, которые сильно отличаются от данных наблюдений в EUV-диапазоне. Человек не может обнаружить корональную дыру, используя только карты магнитного поля, а ИИ научился воспринимать эти изображения иначе и на их основе идентифицировать корональные дыры.
«Это многообещающий результат для будущих задач обнаружения корональных дыр с помощью наземных телескопов. С Земли у нас нет возможности напрямую наблюдать корональные дыры в виде темных пятен, которые видны на космических изображениях в EUV-диапазоне и мягком рентгеновском диапазоне, а есть лишь возможность регулярно измерять магнитное поле Солнца», − отмечает один из авторов статьи, старший преподаватель Космического центра Сколтеха Татьяна Подладчикова.
«И какие бы ни бушевали бури, мы желаем всем хорошей космической погоды!» − говорит в заключение Татьяна Подладчикова.
Новый метод был разработан с использованием высокопроизводительного кластера Сколтеха в рамках создания интегрированной сетевой группы исследований по солнечной физике (SPRING), которая будет обеспечивать автономный мониторинг Солнца с использованием новейших технологий в области наблюдательной физики Солнца. SPRING — часть проекта SOLARNET, который посвящен подготовке к созданию Европейского солнечного телескопа (EST). Проект поддержан программой Европейского союза по науке и инновациям «Горизонт 2020». Грацский университет и Сколтех представляют Австрию и Россию в консорциуме SOLARNET, в состав которого входят 35 международных партнеров. Данное исследование проводилось также с участием специалистов Колумбийского университета (США), Института исследований Солнечной системы Общества Макса Планка (Германия) и компании NorthWest Research Associates (США).
Рисунок: Наблюдение солнечной динамической обсерватории (SDO). На изображении показано сочетание семи различных фильтров крайнего ультрафиолета (цветные срезы) и информации о магнитном поле (срез серой шкалы). Обнаруженные корональные дыры обозначены красными контурными линиями. Темная структура в центре представляет собой солнечную нить, которая имеет похожий вид, но не связана с корональными дырами. Источник: Jarolim et. др., 2021
Кольцевое солнечное затмение 10.06.2021 смогут увидеть только жители Канады, Гренландии и северных регионов России. Лучше всего явление будет видно в якутском поселке Чокурдах, а также Чукотке и Карелии. Там солнечный диск будет перекрыт на 50-80%.
Вот список городов и время, в которое жители смогут увидеть солнечное затмение:
Новосибирск 10 июня около 19 ч Луна закроет солнечный диск на 34%. Якутск — практически полное кольцевое затмение (!) произойдет в 20:45 вечера; Красноярск — половина Солнца будет скрыта в 19:06 вечера; Екатеринбург — перекрытие на 30-40% произойдет в 16:53; Казань — солнечный диск скроется на 30% в 14:43 дня; Москва — до 26% Солнца скроется в 14:26; Санкт-Петербург — благодаря более северному расположению, Солнце скроется на целых 40% в 14:12 дня. «Солнечное затмение начнется в Новосибирске 18:03 местного времени. Максимальной фазы (34%) явление достигнет к 19:00. После этого тень Луны начнет постепенно уходить с солнечного диска и в 20:02 затмение завершится».
Попадалась информация, что следующее кольцевое затмение бдет видно в Крыму в 2030 г и потом пойдет череда видимых на территории России кольцевых затмений через промежутки в 9 лет.
Немецко-российская группа ученых проверила при помощи моделирования противоречивую гипотезу о природе циклов солнечной активности. Результатом симуляции стали сразу несколько любопытных ответов. Во-первых, оказалось, что все краткосрочные циклы длительностью до пары сотен лет объясняются внешними причинами, а не внутренней природой звезды. Во-вторых, появился веский повод сомневаться даже в теоретической возможности долгосрочных предсказаний изменений активности магнитного поля Солнца.
На протяжении многих лет активного изучения нашей родной звезды астрофизики придерживались мнения, что на ее активность решающее влияние оказывают внутренние процессы. Вкупе с множеством косвенных подтверждений эта точка зрения укоренилась в качестве своеобразного стандарта. Однако большое количество данных никак не хочет вписываться в такое объяснение. Поэтому, согласно научному методу, международная команда физиков пошла от обратного: ученые проверили, насколько сильным может быть влияние других планет на светило.
Солнце не находится статично в центре орбит всех планет Солнечной системы, оно выполняет причудливый танец вокруг общего центра масс. Поскольку звезда не монолит, разные ее слои имеют разную плотность, и их движение в недрах гравитационного колодца различается. Учитывая размеры и массу светила, эти различия в движении весьма незначительны на первый взгляд. Но для той чувствительной и нестабильной зоны недр Солнца, где рождаются его могучие магнитные поля — тахоклина, — и такого влияния может быть достаточно.
Именно эту мысль решили проверить физики Фрэнк Стефани (Frank Stefani) и Том Вейер (Tom Weier) из Центра имени Гельмгольца в Дрездене, а также Родион Степанов (Rodion Stepanov) из Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ). Они внесли в классическую модель солнечного динамо влияние гравитации Юпитера, Сатурна, Венеры и Земли. Результаты вычислений ученые опубликовали в журнале Solar Physics, полный текст статьи доступен на портале Springer.
Идея заключается в том, что часть общего момента импульса Солнца из-за такого неидеального движения вокруг собственной оси может трансформироваться в дополнительное вращение некоторых его внутренних регионов. Возникающие возмущения на границах слоев в недрах звезды должны сильно влиять на процессы формирования магнитных полей. А тахоклин — как раз переходная область между зоной лучистого переноса и внешней конвективной зоной. Оба этих региона радикально различаются по протекающим в них физическим процессам.
Несколько лет назад Стефани с коллегами доказал, что существует значительная корреляция между самым известным циклом солнечной активности — «циклом Швабе» (в среднем 10,5 года) — и положением Венеры, Земли, а также Юпитера. Раз в 11,07 года три планеты выстраиваются в почти ровную линию. Данные той симуляции были интересными, но неполными. В новой работе ученые добавили Сатурн и уточнили ряд параметров.
В результате получилось, что две наиболее хорошо изученные периодичности объясняются только внешним влиянием других планет. Речь идет о «цикле Хейла» (два раза по 11 лет) и «цикле Зюсса — де Врие» (около 180-230 лет). Первый, как давно известно, представляет собой двухкратное повторение «цикла Швабе». А второй — период биения между ним и еще одной периодичностью, длительностью 19,86 года, которая идеально совпадает с соединениями Юпитера и Сатурна. Косвенные или прямые подтверждения результатам моделирования Стефани, Вейер и Степанов нашли во многих научных работах, посвященных цикличности солнечной активности.
Иллюзия предсказуемости
Видя большой потенциал своей модифицированной модели, физики проверили ее на более крупных отрезках времени. Когда симуляция охватывала 30 тысяч лет, ученые увидели появление продолжительных минимумов. На первый взгляд, они были похожи на предполагаемые тысячелетние циклы солнечной активности. На основании довольно веских доводов считается, что они ответственны, например, за так называемый Минимум Маудера в 1645-1715 годах. Этот временной отрезок еще известен как малый ледниковый период.
Проблема заключалась в том, что подобные события в моделировании появлялись абсолютно случайным образом. Математического объяснения их периодичности не существует. Иными словами, модель Стефани, Вейера и Степанова прекрасно сработала с короткими циклами, но показала, что более длительные периодичности принципиально непредсказуемы. Если эти данные подтвердятся другими моделями и практическими наблюдениями, долгосрочные предсказания солнечной активности становятся невозможными.
«Биение сердца» звезды
Астрономы заподозрили наличие циклов активности Солнца еще в середине XIX века на основе систематических наблюдений за звездой. Ученые записывали количество и параметры видимых пятен и обратили внимание на некоторую периодичность в их появлении. Лучше всего изученный цикл назвали в честь открывшего его астронома-любителя Генриха Швабе. В 1847 году профессиональный ученый Рудольф Вольф продолжил изучение этой периодичности и определил некоторые ее важные особенности.
Сейчас мы знаем, что на протяжении примерно 22 лет магнитное поле Солнца дважды меняет ориентацию — сначала как бы скручиваясь к экватору, а затем снова вытягиваясь к полюсам. В первый «цикл Швабе» это происходит с севера на юг, во второй — наоборот. И хотя точная природа приводящих к такой картине внутренних процессов звезды до конца не понятна, она определенно зависит от того, как возникает магнитное поле.
Помимо визуальных наблюдений с поверхности и данных с космических зондов, цикличность солнечной активности изучают прямо на Земле. Она прослеживается на многие тысячелетия в прошлое благодаря изучению древнего льда полярных шапок и изотопного состава пород в земной коре. Вероятно, модель Стефани, Вейера и Степанова поможет по-новому взглянуть и на уже имеющуюся на руках ученых информацию.
Правила форума
Справка
Расширения
Ответ: Наблюдаем Солнце 
Комбинированный вид