Lepsze prognozy pogody kosmicznej pomogą w ochronie kluczowej infrastruktury
Finansowany przez Unię Europejską projekt PROGRESS organizowany w ramach programu „Horyzont 2020” wykorzystuje zarówno dane ze statków kosmicznych, jak i z systemów naziemnych w połączeniu z najnowocześniejszymi metodologiami gromadzenia danych w celu opracowywania trafnych i rzetelnych prognoz pogody kosmicznej. Celem naukowców jest dokładniejsze prognozowanie zjawisk pogodowych w kosmosie, szczególnie częstotliwości ich występowania oraz natężenia. Członkom zespołu projektowego udało się skutecznie opracować zestaw europejskich narzędzi służących do prognozowania przyszłych oraz teraźniejszych zjawisk pogodowych w kosmosie, łączących wszystkie aspekty pogody kosmicznej, począwszy od źródeł zjawisk pogodowych na powierzchni Słońca, aż po ich możliwy wpływ na środowisko ziemskie oraz naszą nowoczesną infrastrukturę technologiczną. „Wykorzystaliśmy naszą zebraną wiedzę i doświadczenie w celu opracowania kompleksowego zestawu narzędzi prognostycznych, łączącego techniki modelowania oparte na danych z udoskonaleniami najnowocześniejszych modeli opartych na fizyce”, stwierdził koordynator projektu prof. Robertus von Fay-Siebenbürgen. Nowe modele Partnerzy współpracujący w ramach projektu PROGRESS stworzyli europejski numeryczny model oparty na magnetohydrodynamice (MHD) dzięki połączeniu dwóch oddzielnych modeli, co umożliwiło zaawansowane prognozowanie parametrów wiatru słonecznego. „Pierwszy z tych modeli – AWSoM – analizuje pole magnetyczne na powierzchni Słońca i wykorzystuje je w celu symulowania jego atmosfery na podstawie do 25 promieni Słońca. Na podstawie tych danych, drugi z modeli – SWIFT – przewiduje ruch wiatru słonecznego do odległości wynoszącej około 1,5 miliona kilometrów od Ziemi”, wyjaśnił prof. von Fay-Siebenbürgen. Dynamika cząstek w pasach promieniowania jest uzależniona od ich interakcji z falami plazmowymi. Naukowcy pracujący w ramach projektu PROGRESS opracowali nowy zestaw statystycznych modeli fal, które umożliwiły dokładne odzwierciedlenie przyspieszenia oraz strat cząstek w regionie pasa promieniowania Ziemi. Zagrożenia związane z pogodą kosmiczną znacząco wpływają na poziom aktywności geomagnetycznej. Opracowane w ramach projektu PROGRESS modele pozwalają na przewidywanie tej aktywności przy pomocy różnorodnych podejść opartych na sieciach neuronowych oraz NARMAX. Naukowcy opracowali także zestaw modeli (SNB3GEO) pozwalający na prognozowanie strumieni elektronów napotykanych przez satelitów na orbicie geostacjonarnej. Przeprowadzone eksperymenty wykazały, że zaproponowane modele sprawdzają się lepiej od obecnie dostępnych narzędzi. Dodatkowo w ramach projektu PROGRESS wykorzystano dwa modele przeznaczone do badania środowiska elektronowego wewnętrznych warstw magnetosfery. Model Inner Magnetospheric Particle Transport and Acceleration Model (IMPTAM) służy do pomiarów elektronów niskiej energii, natomiast model VERB – Versatile Electron Radiation Belt – jest wykorzystywany do pomiarów elektronów wysokiej energii. Badacze uczestniczący w projekcie dokonali znaczących postępów dotyczących sposobu opisu dynamiki elektronów w wewnętrznych warstwach magnetosfery przy pomocy modelu IMPTAM. Co więcej, model prognostyczny został zmodyfikowany w celu dostarczania prognoz dotyczących rozwoju środowiska elektronów niskiej energii. Dodatkowo postępy osiągnięte w ramach projektu PROGRESS umożliwiły opracowanie nowej, ulepszonej wersji modelu VERB – VERB-3D, który obecnie umożliwia opracowywanie dwudniowych prognoz opartych na asymilacji danych dla środowisk elektronów wysokiej energii. Poza tym w trakcie projektu PROGRESS zostały przeprowadzone także osobne badania ukierunkowane na połączenie modeli VERB, IMPTAM oraz SNB3GEO w celu dalszej poprawy dokładności prognoz opracowywanych przy pomocy modelu VERB. Korzyści dla światów nauki i przemysłu Z osiągnięć projektu PROGRESS skorzystają naukowcy pracujący przy zagadnieniach związanych z pogodą kosmiczną i fizycy kosmiczni. Jak twierdzi profesor von Fay-Siebenbürgen: „Nowe modele opracowane przez konsorcjum są oparte na lepszym zrozumieniu dynamiki pasów promieniowania. Wyniki projektu są znaczące dla społeczności naukowej, ponieważ pozwalają nam na nowo zrozumieć procesy fizyczne zachodzące w plazmie w środowiskach zbliżonych do środowisk ziemskich”. Także przedstawiciele świata przemysłu skorzystają na wynikach badań z racji tego, że pogoda kosmiczna może mieć znaczący negatywny wpływ na działanie satelitów, komunikację oraz lotnictwo. Korzyści będą dotyczyły także sektora energetycznego, którego reprezentanci będą otrzymywali ostrzeżenia na temat burz geomagnetycznych, które mogą doprowadzić do uszkodzenia sieci elektroenergetycznych. „Wszystkie te sektory mogą odnieść korzyści z otrzymywania z odpowiednim wyprzedzeniem ostrzeżeń o zagrożeniach związanych z pogodą kosmiczną, dzięki którym będą w stanie podejmować kroki mające na celu ograniczanie ich szkodliwego wpływu na naszą infrastrukturę technologiczną”, podsumował profesor von Fay-Siebenbürgen.
Słowa kluczowe
PROGRESS, kosmos, model, pogoda, elektron, pas promieniowania, wiatr słoneczny, Inner Magnetospheric Particle Transport and Acceleration Model (IMPTAM), magnetohydrodynamika