ИИ научился обнаруживать космические ураганы по спутниковым снимкам с точностью почти 98%

Впервые зафиксированный «космический ураган» долгое время оставался незамеченным, и только спустя годы учёные поняли, что в данных спутниковых наблюдений над Северным полюсом в 2014 году был скрыт совершенно новый тип космической погоды. Теперь исследователи представили систему, способную автоматически находить подобные явления в больших массивах спутниковых данных, что может радикально ускорить изучение редких и слабо изученных процессов в верхней атмосфере Земли.

Космический ураган, в отличие от привычных земных циклонов, представляет собой гигантское вращающееся образование из плазмы — электрически заряженных частиц, которые движутся в ионосфере и магнитосфере планеты. Такие структуры формируют закрученные полярные сияния, которые могут достигать сотен и даже тысяч километров в поперечнике. Несмотря на свой «красивый» вид, они способны влиять на работу спутников, радиосвязи, навигационных систем и радаров.

Первое подтверждённое наблюдение подобного явления было опубликовано в 2021 году, хотя само событие произошло ещё в 2014-м. Тогда учёные обнаружили плазменную спираль шириной около 1000 километров, которая удерживалась над Северным полюсом почти восемь часов. Особенно неожиданным стало то, что этот космический шторм возник в период крайне спокойной геомагнитной обстановки, тогда как ранее подобные процессы связывали только с мощными солнечными и геомагнитными возмущениями.

Последующие исследования показали, что такие структуры могут выбрасывать большое количество высокоэнергетических электронов в полярную ионосферу, создавая потенциальные помехи для коммуникационных и навигационных технологий. Однако главной проблемой оставался не сам физический механизм, а трудность обнаружения новых случаев: учёным приходилось вручную просматривать огромные массивы ультрафиолетовых спутниковых изображений, что делало систематический анализ крайне медленным и зависимым от человеческого фактора.

Для решения этой задачи группа китайских исследователей разработала систему глубокого обучения, специально обученную распознавать характерные признаки космических ураганов. В основу работы лег массив данных примерно из 300 000 изображений полярных сияний, собранных в период с 2005 по 2021 год в Северном и Южном полушариях. Эти данные были получены с приборов спутников программы Defense Meteorological Satellite Program, которые фиксируют состояние околоземного космического пространства.

Из этого архива исследователи выделили 570 подтверждённых случаев космических ураганов. Кроме того, в обучающую выборку включили большое количество изображений обычных полярных сияний, в том числе визуально похожих на настоящие космические ураганы, чтобы система могла различать тонкие структурные отличия. На основе этих данных были обучены несколько моделей компьютерного зрения, способных не только распознавать характерные спиральные структуры, но и точно локализовать их положение на спутниковых снимках.

По результатам тестирования лучшая модель показала точность обнаружения на уровне 97,90%, что соответствует почти 98% правильных идентификаций в глобальном наборе данных. Это означает, что система способна автоматически выявлять космические ураганы с высокой надёжностью и существенно снижать необходимость ручного анализа изображений. Дополнительно исследователи создали программную платформу с визуальным интерфейсом, позволяющую оперативно обрабатывать спутниковые данные и отмечать потенциальные события без участия человека.

Новая технология особенно актуальна на фоне роста объёмов данных, поступающих от современных космических миссий, изучающих явления полярных сияний. Одним из таких проектов является спутник Solar Wind Magnetosphere Ionosphere Link Explorer (SMILE), запущенный в мае, который непрерывно фиксирует ультрафиолетовые изображения полярных сияний с высоким разрешением. Объёмы информации, которые он и подобные миссии будут генерировать, делают ручной анализ практически невозможным.

Теперь предложенная система искусственного интеллекта рассматривается как ключевой инструмент для автоматической обработки таких потоков данных и дальнейшего изучения космических ураганов. Однако, несмотря на высокую точность распознавания, следующим этапом исследований станет не только обнаружение, но и прогнозирование этих явлений. Учёные планируют объединить спутниковые и наземные наблюдения в режиме реального времени, чтобы перейти к краткосрочному прогнозированию и оперативного прогнозирования космической погоды.

В конечном итоге работа открывает путь к более глубокому пониманию того, как формируются и эволюционируют редкие плазменные вихри в околоземном пространстве, а также к повышению устойчивости современных технологических систем к их возможным воздействиям.