За кулисами сбоя в работе Airbus: доктор Лулу Чжао о сбоях в работе битов, космических лучах и гонке за предсказанием опасных солнечных бурь до их начала.
В нашем новом выпуске программы Lexicon мы беседуем с доктором Лулу Чжао, доцентом кафедры климатологии и космических наук и инженерии Мичиганского университета и руководителем Центра CLEAR НАСА, Центра передового опыта в области космической погоды.
Работа доктора Чжао посвящена одной из наименее изученных, но наиболее значимых сил, формирующих современные технологии. Космическая погода, и в частности солнечные энергетические частицы, влияют на всё: от бортовой электроники самолётов и спутников до безопасности будущих астронавтов, отправляющихся на Луну и Марс.
Кроме того, подпишитесь на IE+, чтобы получать эксклюзивные аналитические материалы и контент премиум-класса!
Космическая погода и Земля
Доктор Чжао начала свое выступление с изложения сути своих исследований. «Мои исследования посвящены космической погоде и прогнозированию космической погоды», — пояснила она.
В качестве руководителя Центра CLEAR она возглавляет финансируемые НАСА работы по созданию новой системы прогнозирования солнечных энергетических частиц, часто сокращаемых до SEP.
Ее цель и цель центра просты в описании, но чрезвычайно сложны в достижении. «Мы пытаемся создать систему прогнозирования космической погоды для солнечных энергетических частиц», — сказала она, добавив, что это задача, которая доводит физику, вычислительные системы и искусственный интеллект до предела их возможностей.
Неужели газета The Sun сорвала рейс Airbus?
Затем мы спросили ее, могла ли солнечная активность стать причиной недавних сбоев в программном обеспечении Airbus. Доктор Чжао объяснила, что воздействие высокоэнергетического излучения на электронику хорошо задокументировано.
«Хорошо известно, что высокоэнергетические частицы, исходящие от Солнца, вызывают сбои в электронных системах», — отметила она. «Это уже очень хорошо изученный эффект», — добавила она.
Однако вопрос о том, были ли последствия инцидента с Airbus вызваны солнечными частицами, остается открытым. Доктор Чжао и его коллеги проанализировали данные и не обнаружили значительной солнечной активности в тот момент.
«Мы не обнаружили никаких крупных событий, связанных с Солнцем», — сказала она. Вместо этого она указывает на постоянно присутствующий фон космических лучей как на более вероятную причину. «Вполне возможно, что эти сбои вызваны космическими лучами», — добавила она.
Это событие произошло на низкой широте, где магнитное поле Земли наиболее сильное. «Для того чтобы попасть в этот регион, необходимы частицы с очень высокой энергией», — сказала она, добавив, что любое отдельное событие на этой широте считается «очень несчастливым».
Одной частицы достаточно.
Доктор Чжао продолжил объяснять, что даже одной частицы достаточно, чтобы вызвать проблему. «Один переворот бита может вызвать проблемы, если вы заденете очень важный бит», — сказал доктор Чжао.
Для этого не требуется каскад или кластер. Один случайный протон или ион, движущийся со скоростью, составляющей долю скорости света, может превратить ноль в единицу или наоборот. «Этого достаточно, чтобы повлиять на систему управления», — сказала она.
Эти события редки, но происходят постоянно и непредсказуемо. «Когда вы видите, что это уже произошло, значит, это уже случилось. Частица пришла и ушла. Вы не можете отследить ее», — добавила она.
Чтобы помочь наглядно представить эти опасности, доктор Чжао предлагает четкое объяснение того, что представляют собой СЭП (частицы, генерирующие энергию притока). «Это очень быстрые, очень энергичные частицы, включая протоны, электроны и более тяжелые элементы, такие как гелий, кислород и железо», — сказала она нам.
Для этого, как объяснил доктор Чжао, исследователи используют мегаэлектронвольты и гигаэлектронвольты, поскольку их масса очень мала, а энергия очень велика. Протон с энергией 400 мегаэлектронвольт движется со скоростью, составляющей значительную долю скорости света.
«Несмотря на то, что Солнце находится очень далеко от нас, эти частицы движутся очень быстро. Самые быстрые из них достигают Земли примерно за десять минут», — сказала она нам.
Поскольку это заряженные частицы, они сильно взаимодействуют с электроникой. «Когда заряженная частица попадает в микрочип, она передает в него крошечное количество энергии, и это может превратить ноль в единицу или единицу в ноль», — сказал доктор Чжао.
Тревожные события, но редкие.
Это явление известно как единичный сбой, и его изучают уже несколько десятилетий. Важно отметить, что высота имеет значение. «Самолеты на крейсерской высоте сталкиваются с большим количеством частиц, чем мы на земле, потому что они находятся выше в атмосфере», — отметила она.
Спутники еще более уязвимы. Чем выше высота, тем разреженнее атмосфера и тем слабее магнитная защита над ними.
Полярные регионы создают еще одну сложность. Магнитное поле Земли там обеспечивает меньшую защиту. «Полярный регион более уязвим», — объяснила она.
Самолеты, летающие по полярным маршрутам, подвергаются более высокому уровню радиации, а также сталкиваются с возможными сбоями в связи, поскольку «солнечные явления нарушают нашу окружающую среду и влияют на распространение волн», — сказала она.
Прогнозирование невидимого
Затем разговор перешёл к прогнозированию. Солнечные энергетические частицы относятся к числу наиболее сложных для прогнозирования явлений. Доктор Чжао чётко изложила эту проблему. «Вспышки и выбросы корональной массы хорошо изучены, но иногда крупные из них не производят частиц, а иногда более мелкие — производят», — сказала она нам.
Эта взаимосвязь не является ни линейной, ни последовательной. Кроме того, солнечные энергетические частицы движутся с чрезвычайно высокой скоростью и не могут быть непосредственно обнаружены на Солнце, поскольку они встречаются реже, чем обычная солнечная плазма.
Для решения этой проблемы Центр CLEAR объединяет эмпирические модели, физические модели и системы искусственного интеллекта. «Мы интегрируем машинное обучение и ИИ в наш прогноз космической погоды», — пояснила доктор Чжао. Более того, добавила она, логика проста.
«Взаимосвязь между солнечными явлениями и частицами настолько сложна, что мы просто передаем данные искусственному интеллекту и позволяем ему самому найти сложную взаимосвязь между входными и выходными данными», — сказала она.
А объем данных огромен. «Солнце фотографируют с разрешением 4K на 4K, на многих длинах волн, каждые двенадцать минут, уже более пятнадцати лет», — сказала она.
Масштаб слишком велик, чтобы человек мог проанализировать его напрямую. «Одному человеку понадобилось бы больше целой жизни, чтобы всё это изучить», — сказала она.
Искусственный интеллект и компьютерные модели
Наряду с искусственным интеллектом, центр разрабатывает физическую модель нового поколения под названием SOFI. «Наша цель — прогнозировать не только то, произойдет ли событие с участием солнечных энергетических частиц, но и то, сколько частиц достигнет нас и как долго оно продлится», — сказала она нам.
Текущие прогнозы погоды часто дают лишь несколько минут предупреждения. Организация CLEAR надеется продлить этот период до целых суток. «Наша цель — 24 часа», — отметила она. Все, что выходит за эти рамки, становится практически невозможным.
Мы обсуждаем будущее безопасности полетов в свете этих возможностей. Доктор Чжао представляет себе систему, подобную прогнозированию ураганов. «Мониторинг Солнца в реальном времени и создание моделей прогнозирования могут помочь отрасли», — сказала она.
Подобная информация может помочь авиакомпаниям избегать уязвимых маршрутов или подготовиться к сбоям в связи. Однако точность имеет первостепенное значение. «Мы не хотим нарушать нормальную работу ложными тревогами», — сказала она. «Предварительное оповещение и точность крайне важны», — добавила она.
Космос и за его пределами
В завершение мы обсудили, как солнечные энергетические установки влияют на миссии на Луну и Марс. Как она объяснила, без магнитного щита Земли астронавты подвергаются значительно большему риску.
«Радиационная изоляция вызывает серьезную обеспокоенность», — сказала нам доктор Чжао. «Вы хотите пережить это путешествие», — добавила она.
«Для частиц очень высокой энергии экранирование практически невозможно», — сказала она. Это делает прогнозирование еще более важным.
Кроме того, она рассказала нам, что планировщикам миссии приходится выбирать между двумя опасностями. Во время минимума солнечной активности интенсивность космических лучей очень высока, и защититься от них крайне сложно, добавила она.
Во время солнечного максимума количество космических лучей уменьшается, но число солнечных энергетических частиц увеличивается. «Вы можете выбрать, какое событие хотите пережить», — сказала она.
«Мы надеемся, что все, что мы построим, принесет пользу всему сообществу», — добавила она.
Sourse: interestingengineering.com
