Jonosfera — oblast geoprostora koja se proteže od 60 do 1000 kilometara iznad Zemlje — svojim električno naelektrisanim česticama otežava širenje radio signala iz globalnih navigacionih satelitskih sistema (GNSS). Ovo je problem za sve veću preciznost koju zahtevaju ovi sistemi – kako u istraživanju tako i za aplikacije kao što su autonomna vožnja ili precizno određivanje orbite satelita.
Modeli jonosfere i njene neujednačene, dinamičke distribucije naelektrisanja mogu pomoći u ispravljanju signala za jonosferska kašnjenja, koji su jedan od glavnih izvora greške u GNSS aplikacijama. Istraživači predvođeni Artemom Smirnovim i Jurijem Špricem iz Nemačkog istraživačkog centra za geonauke GFZ predstavili su novi model jonosfere u časopisu Scientific Reports, razvijen na osnovu neuronskih mreža i podataka satelitskih merenja od 19 godina.
Konkretno, može da rekonstruiše gornju jonosferu, gornji, elektronima bogat deo jonosfere mnogo preciznije nego ranije. Stoga je takođe važna osnova za napredak u istraživanju jonosfere, sa primenama u studijama o širenju elektromagnetnih talasa ili za analizu određenih svemirskih vremenskih događaja, na primer.
Zemljina jonosfera je oblast gornje atmosfere koja se proteže od oko 60 do 1000 kilometara u visini. Ovde dominiraju naelektrisane čestice kao što su elektroni i pozitivni joni, izazvani sunčevom zračenjem – otuda i ime. Jonosfera je važna za mnoge naučne i industrijske primene jer naelektrisane čestice utiču na širenje elektromagnetnih talasa kao što su radio signali.
Takozvano kašnjenje jonosferskog širenja radio signala jedan je od najvažnijih izvora smetnji za satelitsku navigaciju. Ovo je proporcionalno elektronskoj gustini u prostoru koji se pređe. Stoga, dobro poznavanje elektronske gustine može pomoći u ispravljanju signala. Posebno je zanimljiv gornji deo jonosfere, iznad 600 kilometara, pošto je 80 procenata elektrona sakupljeno u ovoj takozvanoj gornjoj jonosferi.
Problem je u tome što se elektronska gustina veoma razlikuje – u zavisnosti od geografske dužine i geografske širine iznad Zemlje, doba dana i godine i solarne aktivnosti. To otežava njihovu rekonstrukciju i predviđanje, osnovu za korekciju radio signala, na primer.
Postoje različiti pristupi modeliranju elektronske gustine u jonosferi, između ostalih, Međunarodni referentni model jonosfere IRI, koji je priznat od 2014. To je empirijski model koji uspostavlja vezu između ulaznih i izlaznih varijabli na osnovu statističke analize posmatranja. . Međutim, još uvek ima slabosti u važnoj oblasti gornje jonosfere zbog ograničene pokrivenosti prethodno prikupljenih opservacija u tom regionu.
Međutim, nedavno su za ovu oblast postale dostupne velike količine podataka. Stoga, pristupi mašinskom učenju (ML) su pogodni za izvođenje pravilnosti iz ovoga, posebno za složene nelinearne odnose. Animacija promene elektronske gustine jonosfere oko Zemlje tokom tri puna dana: visoke vrednosti u crvenoj, niske vrednosti u plavoj. Bela linija označava geomagnetni ekvator. Kredit: CCBI 4.0 Smirnov et al. (2023) – Naučni izveštaji (https://doi.org/10.1038/s41598-023-28034-z)
Tim iz Nemačkog istraživačkog centra za geonauke GFZ oko dr Artema Smirnova. student i prvi autor studije, i Jurij Špric, šef sekcije „Svemirska fizika i svemirsko vreme“ i profesor na Univerzitetu u Potsdamu, zauzeli su novi empirijski pristup zasnovan na ML.
Za ovo su koristili podatke iz satelitskih misija od 19 godina, posebno CHAMP, GRACE i GRACE-FO, sa kojima su GFZ i COSMIC u značajnoj meri sarađivali. Sateliti su merili — između ostalog — gustinu elektrona u različitim visinama jonosfere i pokrivaju različita godišnja i lokalna vremena, kao i solarne cikluse.
Uz pomoć neuronskih mreža, istraživači su zatim razvili model za elektronsku gustinu gornje jonosfere, koji nazivaju NET modelom. Oni su koristili takozvani MLP metod (Multi-Laier Perceptrons), koji iterativno uči mrežne težine da bi reprodukovao distribuciju podataka sa veoma visokom tačnošću.
Istraživači su testirali model nezavisnim merenjima iz tri druge satelitske misije.
„Naš model se odlično slaže sa merenjima: može veoma dobro da rekonstruiše gustinu elektrona u svim rasponima visine gornje jonosfere, širom sveta, u svako doba godine i dana, i na različitim nivoima sunčeve aktivnosti, i po preciznosti značajno prevazilazi međunarodni referentni model jonosfere IRI. Štaviše, neprekidno pokriva prostor“, sumira prvi autor Artem Smirnov.
Iuri Shprits dodaje: „Ova studija predstavlja promenu paradigme u istraživanju jonosfere jer pokazuje da se gustine jonosfere mogu rekonstruisati sa veoma visokom tačnošću. NET model reprodukuje efekte brojnih fizičkih procesa koji upravljaju dinamikom gornje jonosfere i može imati širok primena u istraživanju jonosfere“.
Istraživači vide moguće primene, na primer, u studijama širenja talasa, za kalibraciju novih skupova podataka o gustini elektrona sa često nepoznatim pomacima osnovne linije, za tomografske rekonstrukcije u obliku pozadinskog modela, kao i za analizu specifičnih vremenskih događaja u svemiru i dugotrajne -termin jonosferske rekonstrukcije. Štaviše, razvijeni model se može povezati sa plazmasferskim visinama i tako može postati nova opcija na vrhu za IRI.
Razvijeni okvir omogućava besprekorno uključivanje novih podataka i novih izvora podataka. Preobuka modela se može obaviti na standardnom računaru i može se obavljati redovno. Sve u svemu, NET model predstavlja značajno poboljšanje u odnosu na tradicionalne metode i naglašava potencijal modela zasnovanih na neuronskim mrežama da obezbede precizniji prikaz jonosfere za komunikacione i navigacione sisteme koji se oslanjaju na GNSS.
