首個(gè)采用高分辨率太陽(yáng)觀測(cè)數(shù)據(jù)訓(xùn)練的太陽(yáng)物理學(xué)人工智能 (AI) 基礎(chǔ)模型，旨在深入探索太陽(yáng)動(dòng)態(tài)表面，對(duì)可能干擾地球和太空技術(shù)的太陽(yáng)天氣做出有效規(guī)劃。

該模型已發(fā)布在 Hugging Face 開源平臺(tái)，旨在加快科學(xué)發(fā)現(xiàn)進(jìn)程，助力全球科研與技術(shù)社區(qū)共享 AI 技術(shù)。

研究人員還發(fā)布了已知規(guī)模最大、系統(tǒng)整理的太陽(yáng)物理學(xué)數(shù)據(jù)集，加速數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的太空天氣研究。

近日，IBM(紐交所代碼：IBM)與美國(guó)國(guó)家航空航天局 (NASA) 聯(lián)合發(fā)布了一款開創(chuàng)性的開源基礎(chǔ)模型，可理解高分辨率的太陽(yáng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，從而預(yù)測(cè)太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)地球和太空技術(shù)的影響。該模型名為“Surya”(梵語(yǔ)意為“太陽(yáng)“)，標(biāo)志著 AI 應(yīng)用于太陽(yáng)圖像解讀和太空天氣預(yù)報(bào)研究方面的重大進(jìn)步;它提供了一種創(chuàng)新工具，幫助保護(hù) GPS 導(dǎo)航、電網(wǎng)、電信等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施免受太陽(yáng)天氣變化的影響。

太陽(yáng)遠(yuǎn)在 9300萬(wàn)英里之外，但它對(duì)現(xiàn)代生活的影響卻相當(dāng)直接而且越來(lái)越大。太陽(yáng)耀斑和日冕物質(zhì)拋射可能會(huì)摧毀衛(wèi)星、干擾航空導(dǎo)航、引發(fā)停電，并對(duì)宇航員構(gòu)成嚴(yán)重的輻射風(fēng)險(xiǎn)。隨著人類對(duì)太空技術(shù)的依賴不斷加深，以及深空探索計(jì)劃的持續(xù)推進(jìn)，準(zhǔn)確的太陽(yáng)天氣預(yù)報(bào)變得至關(guān)重要。

隨著人類對(duì)技術(shù)的依賴程度不斷增加，我們面對(duì)太空天氣的脆弱性也日益凸顯。根據(jù)保險(xiǎn)公司勞合社 (Lloyd's) 創(chuàng)建的系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景，未來(lái)五年內(nèi)全球經(jīng)濟(jì)可能面臨 2.4萬(wàn)億美元的損失，其中一場(chǎng)假設(shè)的太陽(yáng)風(fēng)暴威脅就可能造成 170億美元的損失。近期發(fā)生的太陽(yáng)活動(dòng) [1] 已經(jīng)表現(xiàn)出這種風(fēng)險(xiǎn)，它們干擾了全球定位系統(tǒng) (GPS) 服務(wù)、迫使航班改變航線，并對(duì)衛(wèi)星造成損壞。太陽(yáng)風(fēng)暴的潛在影響包括：

對(duì)部署在太空的衛(wèi)星、航天器乃至宇航員造成危害;

損壞衛(wèi)星硬件以及太陽(yáng)能電池板和電路;

航空旅行中的導(dǎo)航偏差，以及機(jī)組人員和乘客面臨的潛在輻射風(fēng)險(xiǎn);

GPS 導(dǎo)航被干擾而導(dǎo)致糧食減產(chǎn)。

新模型的影響不止于學(xué)術(shù)研究層面，更為實(shí)際防范措施提供了有利工具，幫助專家針對(duì)太陽(yáng)風(fēng)暴制定應(yīng)對(duì)計(jì)劃，防止其對(duì)地球的技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施造成破壞。

IBM 研究院歐洲、英國(guó)及愛爾蘭地區(qū)負(fù)責(zé)人 Juan Bernabe-Moreno 表示：“這一成果可以理解為‘太空天氣預(yù)報(bào)‘，和災(zāi)害天氣事件的預(yù)案一樣，我們也需要為太陽(yáng)風(fēng)暴制定應(yīng)對(duì)之策。Surya 提供了前所未有的預(yù)測(cè)能力，它不僅是一項(xiàng)技術(shù)成就，更是保護(hù)科技文明免受我們賴以生存的恒星(太陽(yáng))影響的關(guān)鍵一步。”

傳統(tǒng)的太陽(yáng)天氣預(yù)報(bào)依賴對(duì)太陽(yáng)表面的局部衛(wèi)星觀測(cè)，一直以來(lái)，研究人員難以對(duì)太陽(yáng)天氣進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。Surya 基于經(jīng)過精心整理、大規(guī)模的高分辨率太陽(yáng)物理學(xué)數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練，有效解決了這一傳統(tǒng)的局限性。該數(shù)據(jù)集旨在幫助研究人員更好地研究和評(píng)估關(guān)鍵的太空天氣預(yù)報(bào)任務(wù)。Surya 已在多項(xiàng)任務(wù)中進(jìn)行了測(cè)試，包括預(yù)測(cè)太陽(yáng)耀斑、太陽(yáng)風(fēng)速度、太陽(yáng)極紫外光譜，以及太陽(yáng)活躍區(qū)的出現(xiàn)。

研究人員表示，在早期測(cè)試中，太陽(yáng)耀斑分類的準(zhǔn)確率提升了16%，相較于以前的方法取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。除了二元太陽(yáng)耀斑分類任務(wù)外，Surya 還首次以可視化的方式預(yù)測(cè)了太陽(yáng)耀斑，可提供高分辨率的圖像，預(yù)測(cè)最多未來(lái)兩小時(shí)耀斑可能出現(xiàn)的位置。

在研發(fā)過程中，研究人員面臨極為艱巨的技術(shù)挑戰(zhàn)。Surya 的訓(xùn)練數(shù)據(jù)來(lái)自 NASA 太陽(yáng)動(dòng)力學(xué)天文臺(tái) (Solar Dynamics Observatory) 歷經(jīng)九年收集的高分辨率太陽(yáng)觀測(cè)數(shù)據(jù)。這些圖像的大小是普通 AI 訓(xùn)練數(shù)據(jù)的 10 倍，因此需要定制化的多架構(gòu)解決方案來(lái)處理海量數(shù)據(jù)，同時(shí)確保高效率。最終模型具備前所未有的空間分辨率，能夠以普通 AI 訓(xùn)練無(wú)法實(shí)現(xiàn)的規(guī)模和上下文，解析太陽(yáng)特征。

NASA 華盛頓總部首席科學(xué)數(shù)據(jù)官 Kevin Murphy 表示：“我們將 NASA 深厚的科學(xué)專業(yè)知識(shí)融入頂尖的 AI 模型，以推動(dòng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的科學(xué)探索。借助使用 NASA 太陽(yáng)物理學(xué)數(shù)據(jù)訓(xùn)練的基礎(chǔ)模型，我們有望以前所未有的速度和精度分析復(fù)雜的太陽(yáng)活動(dòng)，從而更深入地理解太陽(yáng)活動(dòng)如何影響地球上的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)。”

Surya 模型的背后是 IBM 更廣泛的技術(shù)普及藍(lán)圖。IBM 致力于采用生成式和自動(dòng)化的方法，大規(guī)模地探索、測(cè)試和發(fā)展 AI 算法。IBM 不僅將 AI 視成技術(shù)工具，更將其作為科學(xué)探索的推動(dòng)力量，而 Surya 就是一個(gè)非常有說服力的例子。通過在 Hugging Face 開源平臺(tái)上發(fā)布 Surya，IBM 和 NASA 正在積極推動(dòng)先進(jìn)工具的普及，助力廣大科研人員理解和預(yù)測(cè)太陽(yáng)天氣，以及進(jìn)行科學(xué)探索。如今，全球研究人員可以此為基礎(chǔ)，為所在地區(qū)和行業(yè)開發(fā)專門的應(yīng)用。

該模型是 IBM 和 NASA 廣泛合作的一部分，雙方旨在利用 AI 技術(shù)探索地球及太陽(yáng)系，并于此前發(fā)布了包含地理空間模型和天氣模型的 Prithvi 基礎(chǔ)模型系列。去年，IBM 和 NASA在 Hugging Face 平臺(tái)上發(fā)布了開源的 Prithvi 天氣模型，供科學(xué)家及更廣泛的群體開發(fā)短期、長(zhǎng)期的天氣及氣候預(yù)測(cè)應(yīng)用。

[1] 概述：2024年 5月超級(jí)風(fēng)暴對(duì)地球圈的行星間成因及影響 - IOPscience。

概述：2024年 5月超級(jí)風(fēng)暴對(duì)地球圈的行星間成因及影響, Hajra, Rajkumar, Tsurutani, Bruce Tsatnam, Lakhina, Gurbax Singh, Lu, Quanming, Du, Aimin關(guān)于 IBM

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