international efforts in predicting solar activity: from theory to practice

ΔΙ ΕΘΝΕ Ι Σ ΠΡΟΣΠΑΘΕ Ι ΕΣ ΠΡΟΓΝΩΣΗΣ ΤΗΣ ΗΛ ΙΑΚΗΣ ΔΡΑΣΤΗΡ ΙΟΤΗΤΑΣ : ΑΠΟ ΤΗ ΘΕΩΡ ΙΑ ΣΤΗΝ ΠΡΑΞΗ

ΜΑΝΩΛΗΣ Κ . Γ ΕΩΡ ΓΟΥΛΗΣ ΚΕΑΕΜ ΤΗΣ ΑΚΑΔΗΜΙΑΣ ΑΘΗΝΩΝ

Κάμπος, 20 Αυγούστου 20175ο Φεστιβάλ Αστρονομίας Χίου

Η “ΠΕΡ ΙΠΕΤΕ ΙΑ ” ΤΗΣ Δ Ι ΑΣΤΗΜ ΙΚΗΣ ΕΠΟΧΗΣ

4 Οκτωβρίου 1957: SPUTNIK - ο πρώτος τεχνητός δορυφόρος

ΑΚΡ Ι ΒΩΣ 6 0 ΧΡΟΝ ΙΑ ΜΕΤΑ

“Επιστημονική φαντασία” και όνειρα για το μέλλον

Ε ΙΝΑ Ι ΟΜΩΣ ΑΚΡ Ι ΒΩΣ ΕΤΣ Ι ;

Ζούμε εξαιτίας της ενέργειας που μας παρέχει ο Ήλιος, σε μια γωνιά του γαλαξία σε μια νοητή “σφαίρα επιρροής”, την ηλιόσφαιρα..

Ο ΗΛ ΙΟΣ ΑΠΟ ΤΟ Δ Ι ΑΣΤΗΜΑ

ΚΑ Ι Ο Ι ΗΛ ΙΑΚΕΣ ΕΚΡΗΞΕ Ι Σ : ΕΚΛΑΜΨΕ Ι Σ

ΚΑ Ι ΕΚΤ ΙΝΑΞΕ Ι Σ ΣΤΕΜΜΑΤ ΙΚΗΣ ΜΑΖΑΣ

ΠΟΥ Δ Ι ΑΔ ΙΔΟΝΤΑ Ι ΣΤΟ ΗΛ ΙΑΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ

ΚΑ Ι ΦΤΑΝΟΥΝ ΩΣ ΤΗ ΓΗ (ΚΑ Ι ΑΛΛΑ ΣΗΜΕ ΙΑ ) ΩΣ

Μπορούμε πλέον να τα παρατηρήσουμε όλα αυτά

Δ ΙΑΣΤΗΜΙΚΟΣ ΚΑ ΙΡΟΣ

ΗΛ ΙΑΚΕΣ ΕΚΡΗΞΕ Ι Σ : ΜΕΡ ΙΚΟ Ι ΑΡ ΙΘΜΟ Ι


‣ Ενέργεια ηλιακής έκλαμψης: έως 1025 J

x 1,000,000,000



x 1,000,000,000

‣ Ταχύτητα τυπικού CME: έως 3,000 km/s (Mach ~8,800 )

x 4,500



x 1,000,000,000


x 4,500

‣ Μάζα τυπικού CME: 1013 kg

x 20,000



x 1,000,000,000


x 4,500


x 20,000

‣Μέση απόσταση Γης - Ηλίου: (1 AU): ~150 x 106 km



x 1,000,000,000


x 4,500


x 20,000

‣Μέση απόσταση Γης - Ηλίου: (1 AU): ~150 x 106 km

‣Μέσος χρόνος άφιξης CME στη Γη: 2 - 3 days

ΠΩΣ ΑΠΟΚΡ ΙΝΕΤΑ Ι Η ΓΗ ΣΤΟΝ Δ Ι ΑΣΤΗΜ ΙΚΟ ΚΑ Ι ΡΟ ;

Πηγή: Our Universe Visualized - Youtube

Με το μαγνητικό της πεδίο και την ατμόσφαιρά της να δρουν ως ασπίδα

ΣΥΝΕΠΕ Ι ΕΣ ΤΟΥ Δ Ι ΑΣΤΗΜ ΙΚΟΥ ΚΑ Ι ΡΟΥ

Βιολογικές συνέπειες για τον άνθρωπο, GPS, Ραντάρ, εμπορική αεροπορία, δίκτυα παροχής ηλεκτρικής ισχύος και, φυσικά εποικισμός άλλων τόπων στο ηλιακό σύστημα, εκεί όπου δεν υπάρχουν μαγνητικά πεδία και ατμόσφαιρα

ΠΑΓΚΟΣΜ ΙΑ ΕΥΑ Ι ΣΘΗΤΟΠΟ ΙΗΣΗ

• Εθνική Ακαδημία Επιστημών, ΗΠΑ, 2008• Βρετανική Κυβέρνηση, Ιούλιος 2015

• Λευκός Οίκος, ΗΠΑ, Οκτώβριος 2015• έπονται άλλες κυβερνήσεις

ΜΙΑ ΕΥΓΛΩΤΤΗ Ε ΙΚΟΝΑ

Διασυνδεδεμένος τεχνολογικός και κοινωνικός ιστός: αν χαθεί ένα επίπεδο για κάποιο διάστημα, οι συνέπειες θα είναι αλυσιδωτές

Πηγή: Severe Space Weather Events: Understanding Societal and Economic Impacts, US NRC Workshop Report, NAS Press, 2008

ΚΑ Ι ΤΡΟΠΟΣ ΑΝΤ ΙΔΡΑΣΗΣ : R 2 O


Από τη βασική έρευνα …


Από τη βασική έρευνα … Στην εφαρμοσμένη έρευνα…


Από τη βασική έρευνα … Στην εφαρμοσμένη έρευνα…

Στην επιχειρησιακή ετοιμότηταΈρευνα —> Επιχειρησιακή ετοιμότητα

Research to Operations (R2O)

Ο 21ος αιώνας ανέδειξε αυτή την αναγκαιότητα του τρίτου βήματος

ΒΑΣ ΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ : Η ΕΠ Ι ΣΤΗΜΗ ΤΩΝ ΗΛ ΙΑΚΩΝ ΕΚΡΗΞΕΩΝ

ArrivalofCMEitselfArrivalofCME-shockacceleratedparticles

Arrivaloffirstflare-acceleratedparticles (ifany)

Arrivalofhard(X-,γ-)rayphotons

t0

Solarflare

t0 +8min t0 +20min t0 +1day

t0 +(2– 4)days





t0

Solarflare


t0 +(2– 4)days


Πηγή: NASA / D. Ostrcil




t0

Solarflare


t0 +(2– 4)days


Πηγή: NASA / D. Ostrcil

Και τα μαθηματικά

ΕΚΛΑΜΨΕ Ι Σ : ΑΠΟ ΠΟΥ ΠΡΟΕΡΧΟΝΤΑ Ι

Κέντρα δράσης (ηλιακές κηλίδες) σε σχετικά μικρές περιοχές του Ήλιου

Ισχυρή αλληλεπίδραση διαφορετικών μαγνητικών πολικοτήτων

ΠΟΣΟ ΣΥΧΝΕΣ Ε ΙΝΑ Ι Ο Ι ΕΚΛΑΜΨΕ Ι Σ ;

Μας ενδιαφέρει κυρίως το κιτρινο (~10%) και κόκκινο (~1.6%) κομμάτι της πίτας

• Μεγάλες εκλάμψεις (κλάσης Χ): περίπου 9 - 10 το χρόνο

• Πολύ μεγάλες εκλάμψεις (κλάσης Χ5): κάτω από 1 το χρόνο

• Γιγάντιες εκλάμψεις (κλάσης >Χ10): μία στα 10 - 20 χρόνια

Γ ΙΑΤ Ι ΣΥΜΒΑ ΙΝΟΥΝ Ο Ι ΕΚΛΑΜΨΕ Ι Σ ;

Το μαγνητικό σύστημα ενός κέντρου δράσης συσσωρεύει μεγαλύτερη ενέργεια και ελικότητα μαγνητικών πεδίων απ’ όση μπορεί να διαχειριστεί και εκρήγνυται

Πηγή: Γεώργιος Χίντζογλου, Lockheed Martin SAL, ΗΠΑ

Γ ΙΑΤ Ι ΣΥΜΒΑ ΙΝΟΥΝ Ο Ι ΕΚΛΑΜΨΕ Ι Σ ;

Το μαγνητικό σύστημα ενός κέντρου δράσης συσσωρεύει μεγαλύτερη ενέργεια και ελικότητα μαγνητικών πεδίων απ’ όση μπορεί να διαχειριστεί και εκρήγνυται

Πηγή: Γεώργιος Χίντζογλου, Lockheed Martin SAL, ΗΠΑ

Τι ψάχνουμε, λοιπόν;

Τη στιγμή που “το ποτήρι θα ξεχειλίσει” ή που “το σχοινί θα σπάσει”…

ΑΠΟ ΤΗ ΘΕΩΡ ΙΑ ΣΤΗΝ ΠΡΑΞΗ

Αξιολόγηση των σημείων (hotspots) που είναι περισσότερο ασταθή

ΑΠΟ ΤΗ ΘΕΩΡ ΙΑ ΣΤΗΝ ΠΡΑΞΗ

X2.2 M6.6

M2.2 M1.6

Αξιολόγηση των σημείων (hotspots) που είναι περισσότερο ασταθή

ΚΑ Ι ΠΟΣΟΤ ΙΚΟΠΟ ΙΗΣΗ ΣΕ ΚΑΤ Ι ΠΟΥ ΜΠΟΡΕ Ι ΝΑ Γ ΙΝΕ Ι ΑΥΤΟΜΑΤΑ

Beff:%Effective%Connected%Magnetic%Field%Strength%(ενεργός%ένταση%συνδεδεμένου%μαγνητικού%πεδίου)%

∑∑= =

Φ=

p

i

n

j ij

ijeff LB

1 12

!  Η µέθοδος αντανακλά την αναµενόµενη µαγνητική συνδεσιµότητα στο κέντρο δράσης

NOAA AR 11158

02/15/2011 00:01 UT Beff ~ 568 G

!  Ελαχιστοποιούµε αριθµητικά την παρακάτω ποσότητα η οποία δίνει έµφαση σε µικρού µήκους µαγνητικές συνδέσεις

ℜ =ri − rjRmax

+Φi +Φ j

Φi + Φ j

$

%&&

'

())∑

Georgoulis & Rust (2007)

ΥΠΗΡΕΣ ΙΑ A - E F F O R T ΤΗΣ E S A

ΚΕΑΕΜ της Ακαδημίας Αθηνών

http://a-effort.academyofathens.gr

http://a-effort.academyofathens.gr

ΑΡΧΗ ΛΕ ΙΤΟΥΡΓ ΙΑΣ A - E F F O R T

• 24ωρη πρόγνωση τεσσάρων κατηγοριών εκλάμψεων

• Ανανέωση πρόγνωσης κάθε τρεις ώρες

ΑΡΧΗ ΛΕ ΙΤΟΥΡΓ ΙΑΣ A - E F F O R T

Μέσω πολυεπίπεδης εμπειρίας σε ηλιακή φυσική, προγραμματισμό, στατιστική, αρχιτεκτονική Η/Υ, και σχεδιασμό ιστοσελίδων και διαχείριση προγραμμάτων

ΤΡΟΠΟΣ ΛΕ ΙΤΟΥΡΓ ΙΑΣ A - E F F O R T

Δεδομένα από το σταθμό εδάφους της αποστολής SDO (Stanford U.) στο ΚΕΑΕΜ για επερξεγασία και στη συνέχεια στην ESA για προβολή

Χωρίς ανθρώπινη παρέμβαση

ΥΠΗΡΕΣ Ι ΕΣ ΠΡΟΓΝΩΣΗΣ ΕΚΛΑΜΨΕΩΝ ΑΝΑ ΤΟΝ ΚΟΣΜΟ

Κάποιες μόνο από αυτές λειτουργούν σε συνεχή βάση

Όλες οι μέθοδοι πρόγνωσης έχουν σαφώς πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Δεν γνωρίζουμε ακόμα αν αυτά είναι της μεθόδου ή της φύσης του προβλήματος.

ΥΠΗΡΕΣ Ι ΕΣ ΠΡΟΓΝΩΣΗΣ ΕΚΛΑΜΨΕΩΝ ΑΝΑ ΤΟΝ ΚΟΣΜΟ

Κάποιες μόνο από αυτές λειτουργούν σε συνεχή βάση

Δεν λειτουργούν όλες με τον ίδιο τρόπο. Έχουν προταθεί πολλοί τρόποι.

Όλες οι μέθοδοι πρόγνωσης έχουν σαφώς πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Δεν γνωρίζουμε ακόμα αν αυτά είναι της μεθόδου ή της φύσης του προβλήματος.

Τ Ι Ε ΙΝΑ Ι ΤΟ F L A R E C A SΤ ;Το FLARECAST είναι πρόγραμμα της Ευρωπαϊκής Επιτροπής (Horizon 2020) με σκοπό την ανάπτυξη ως τις αρχές του 2018 προηγμένου συστήματος πρόγνωσης ηλιακών εκλάμψεων βασισμένου σε αυτόματα υπολογισμένες ιδιότητες ηλιακών κέντρων δράσης, συνδυασμένων με μεθόδους πρόγνωσης αιχμής και επικυρωμένων με τις πιο κατάλληλες μεθόδους επικύρωσης.

Αντικειμενικοί σκοποί FLARECAST:• Κατανόηση του τι προκαλεί τις ηλιακές εκλάμψεις και βελτίωση μεθόδων

πρόγνωσης

• Ανάπτυξη ελεύθερα προσβάσιμης υπηρεσίας πρόγνωσης εκλάμψεων η οποία να επιδέχεται περαιτέρω ανάπτυξη στο μέλλον

• Επικοινωνία με την επιστημονική κοινότητα, τις ομάδες ενδιαφερομένων για την πρόγνωση του διαστημικού καιρού και το ευρύ κοινό

Η ΚΟ ΙΝΟΠΡΑΞ ΙΑ F L A R E C A S T

Η ΚΟ ΙΝΟΠΡΑΞ ΙΑ F L A R E C A S T

• Αξιοποιεί ό,τι έχει προταθεί ως τώρα ως αξιόπιστο για την πρόγνωση• Στηρίζεται σε μεθόδους τεχνητής νοημοσύνης (μηχανικής μάθησης)

• Συγκεντρώνει ποικίλη εμπειρία σε πολλούς ανεξάρτητους τομείς

Data Loader HMIFilesFeaturePropertyExtractor

StagingArea

PropertyDB

PredictionDatabase

Forecastverificationalgorithms

Flarepredictionalgorithms(execution)

ManagementInfrastructure

PredictionConfig DB

Step1:Dataacquisition

Step3:Predictiontraining/execution

Step4:Dataverification

readwrite

Legend

Flarepredictionalgorithms(training)

Step2:Featurepropertyextraction

InfraConfig DB

Η ΑΡΧ ΙΤΕΚΤΟΝ ΙΚΗ F L A R E C A S T

Τέσσερα βήματα:

1. Συσσώρευση δεδομένων από το διάστημα 2. Εξαγωγή ιδιοτήτων ηλιακών κέντρων δράσης

3. Εφαρμογή μεθόδων τεχνητής νοημοσύνης για την πρόγνωση

4. Επικύρωση κάθε αποτελέσματος πρόγνωσης

ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΑΠΟ ΤΟ Δ Ι ΑΣΤΗΜΑ

Αποστολή SDO σε (σχεδόν) πραγματικό χρόνο

ΕΞΑΓΩ ΓΗ ΔΕΚΑΔΩΝ ΙΔ Ι ΟΤΗΤΩΝ ΚΕΝΤΡΩΝ ΔΡΑΣΗΣ

Τα πάντα με αυτοματοποιημέ-νες διαδικασίες

Η ΠΡΟΚΛΗΣΗ ΤΟΥ F L A R E C A S T


Πολυδιάστατος παραμετρικός χώρος



Μηχανική μάθηση - μη βέλτιστο αποτέλεσμα



Μηχανική μάθηση - μη βέλτιστο αποτέλεσμα

Μηχανική μάθηση - βέλτιστο αποτέλεσμα

ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΜΕΘΟΔΩΝ ΤΕΧΝΗΤΗΣ ΝΟΗΜΟΣΥΝΗΣ

Τυπικό διάγραμμα ροής γενετικού αλγορίθμου

Τυπική δομή “πολυστρωματικού αντιλήπτρου” (multi-layer perceptron)

ΚΑ Ι ΕΠ ΙΚΥΡΩΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΟΣ

Δυαδικός πίνακας επικύρωσης (2 x 2)

Πιθανοκρατικό διάγραμμα αξιοπιστίας

Πραγματικά αποτελέσματα δοκιμών

ΣΥΓΚΡ Ι ΣΗ ΜΕΘΟΔΩΝ ΜΕΤΑΞΥ ΤΟΥΣ

Επί τη βάσει αλγοριθμικής μεθόδου

Επί τη βάσει τιμών ιδιοτήτων

ΠΩΣ Γ ΙΝΕΤΑ Ι ΟΛΟ ΑΥΤΟ ;

• Τεχνολογία ανοικτής πρόσβασης Docker σε λειτουργικό σύστημα Linux

• Υπολογιστικό σμήνος μερικών εκατοντάδων πυρήνων

• 360 TB σκληρού δίσκου σε αρχιτεκτονική RAID (240 + 120 TB)

• “Μηχανές” Docker και “δοχεία” Docker

ΜΕ ΜΙΑ ΑΛΛΗ ΜΑΤ ΙΑ - Η ΕΥΡΩΠΗ ΤΟΥ F L A R E C A S T

Στενή συνεργασία ανάμεσα στους εταίρους

Stanford U.

NOAA / SWPC

ΜΕ ΜΙΑ ΑΛΛΗ ΜΑΤ ΙΑ - Η ΕΥΡΩΠΗ ΤΟΥ F L A R E C A S T

Στενή συνεργασία ανάμεσα στους εταίρους

ΧΡΟΝΟΔ Ι Α Γ ΡΑΜΜΑ F L A R E C A S T

ΤΡΕΧΟΥΣΑ Ε ΙΚΟΝΑ ΤΟΥ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ

• Υπολογισμός ιδιοτήτων κέντρων δράσης: ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟΣ

• Βάση δεδομένων ιδιοτήτων κέντρων δράσης: ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΗ

• Αλγόριθμοι πρόγνωσης: ΕΜΠΕΔΩΜΕΝΟΙ

• Βάση δεδομένων πρόγνωσης: ΣΧΕΔΙΑΣΜΕΝΗ

• Δοκιμές πρόγνωσης: ΚΑΝΟΝΙΚΕΣ - ΣΕ ΕΞΕΛΙΞΗ

• Επικύρωση αλγορίθμων και αβεβαιοτήτων αυτών: ΥΠΟ ΟΛΟΚΛΗΡΩΣΗ

• Βάση δεδομένων επικύρωσης: ΥΠΟ ΚΑΤΑΣΚΕΥΣΗ

• Σύστημα πρόγνωσης σε πραγματικό χρόνο: ΥΠΟ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟ

Κανονική πορεία, με μικρές αποκλίσεις από το χρονοδιάγραμμα

• Οπτικοποίηση πρόγνωσης και αποτελεσμάτων: ΥΠΟ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟ

• Παράδοση στις αρχές του 2018 • Πρόσβαση αποτελεσμάτων στο http://flarecast.eu

http://flarecast.eu

ΕΝΔ Ι ΑΦΕΡΟΝ ΑΠΟ ΚΥΒΕΡΝΗΣΕ Ι Σ ΚΑ Ι ΦΟΡΕ Ι Σ

1η Συνάντηση Εργασίας με κυβερνήσεις και βιομηχανία, 12 - 13 Ιαν. 2017

Met Office, Exeter, Μεγάλη Βρετανία

ΕΝΔ Ι ΑΦΕΡΟΝ ΚΑ Ι ΑΠΟ ΤΟΝ Δ Ι ΕΘΝΗ ΤΥΠΟ

Αναφορά στο FLARECAST ακόμα και στις συζητήσεις για το Brexit (εισήγηση Lord Soley, Βουλή των Λόρδων)

ΠΕΡ ΙΛΗΠΤ ΙΚΑ• Αν και με καθυστέρηση, η ανθρωπότητα κατάλαβε ότι δεν μπορεί να επενδύει στο διάστημα χωρίς αξιόπιστη πρόγνωση του διαστημικού καιρού

• Η πρόγνωση των ηλιακών εκλάμψεων είναι ιστορικά η πρώτη απόπειρα του ανθρώπου να προβλέψει την ηλιακή δραστηριότητα: ακόμα δεν το έχει καταφέρει

• Τα προγράμματα A-EFFort και FLARECAST εξυπηρετούν αυτήν ακριβώς τη σκοπιμότητα, μεταξύ άλλων

• Το πρόγραμμα FLARECAST φαίνεται να είναι η πιο συστηματική απόπειρα παγκοσμίως προς αυτόν το σκοπό

• Ήδη τα αποτελέσματά μας έχουν κάνει αίσθηση, αλλά ο βαθμός της επιτυχίας (ή αποτυχίας) μένει να ξεκαθαριστεί με το τέλος του προγράμματος - αρχές 2018

Ο Ι ΑΝΘΡΩΠΟ Ι Π ΙΣΩ ΑΠΟ ΤΟΥΣ ΑΡ ΙΘΜΟΥΣ

http://flarecast.eu @FLARECAST_EU

http://flarecast.eu

“Οι ιδέες μου έχουν πολλούς πατέρες…”

Γ. Σεφέρης

BACKUP SLIDES

Ο ΗΛ ΙΟΣ ΑΠΟ ΤΗ ΓΗ

Πηγή CNYO.org

http://CNYO.org

ΣΕΛΑΣ ΑΠΟ ΤΟΝ Δ Ι ΕΘΝΗ Δ Ι ΑΣΤΗΜ ΙΚΟ ΣΤΑΘΜΟ

Πηγή: Robin Morrison - Youtube

Ε ΙΝΑ Ι ΟΜΩΣ ΑΚΡ Ι ΒΩΣ ΕΤΣ Ι ;

… μέσα στη ζώνη επιρροής του, το ηλιακό σύστημα

international efforts in predicting solar activity: from theory to practice

Science