预测天空何时流血：麻省理工学院领导的团队开发软件来帮助预测太空风暴

该合成图像显示了太阳的SOHO图像以及艺术家对地球磁层的印象。电网故障，大规模停电，对启用GPS和电信的卫星造成的广泛破坏-日冕质量抛射等空间等离子体现象会引起与地球大气相互作用的地磁风暴，对使现代社会产生影响的系统和技术造成严重破坏。

1859年8月28日，在一个没有月球的夜晚，天空开始流血。北极光背后的现象已遍及全球：极光在时区和大洲上延伸着发光的彩虹手指，在深红色的起伏背景下照亮了夜空。从新英格兰到澳大利亚，随着夜空在Technicolor中闪烁，人们站在街道上仰望，钦佩，灵感和恐惧。但是漂亮的显示器要付出代价。全球电报系统（当时负责几乎所有的长途通信）经历了广泛的破坏。一些电报运营商在发送和接收消息时遭受了电击。其他人目睹了电缆塔发出的火花。电报传输被暂停了几天。

极光和随后的破坏后来归因于由一系列日冕物质抛射（CME）引起的地磁风暴，这些抛射物从太阳表面爆发，飞越了太阳系，并用磁性太阳能对我们的大气层进行了猛烈破坏，为电报系统供电的电力。尽管我们不再依赖全球电报系统在世界各地保持联系，但在当今世界经历类似规模的地磁风暴仍将是灾难性的。这样的风暴可能会导致全球范围内的停电，大规模的网络故障以及对启用GPS和电信功能的卫星的广泛破坏-更不用说辐射水平升高对人体健康的潜在威胁。与地球上的风暴不同，太阳风暴的到来和强度可能难以预测。没有更好地了解太空天气，我们可能甚至看不到下一场大太阳风暴，直到为时已晚。

为了提高我们像在天气地球上一样预测太空天气的能力，麻省理工学院航空与航天系（AeroAstro）的助理教授Richard Linares带领多学科研究人员团队开发可以有效应对这一挑战的软件。通过更好的模型，我们可以使用历史观测数据更好地预测空间天气事件（如CME，太阳风和其他空间等离子体现象）与我们的大气相互作用时的影响。根据美国国家科学基金会（NSF）和NASA之间的太空不确定性天气（SWQU）计划，该小组因其提案“可组合的下一代软件框架”获得了300万美元的赠款。

利纳雷斯说：“通过召集地理空间科学，不确定性量化，软件开发，管理和可持续性方面的专家，我们希望开发用于空间天气建模和预测的下一代软件。”“改善空间天气预报是一项国家需求，我们在麻省理工学院看到了一个难得的机会，可以将我们在整个校园中拥有的专业知识相结合来解决这个问题。”

利纳雷斯（Linares）的MIT合作者包括菲利普·埃里克森（Philip Erickson），他是麻省理工学院Haystack天文台的助理主任，也是Haystack大气和地球空间科学小组的负责人。海梅·佩雷尔（Jaime Peraire），H.N。斯拉特航空航天学院教授；优素福·马祖克（Youssef Marzouk），航空和航天学教授； AeroAstro的研究科学家Ngoc Cuong Nguyen；艾伦·爱德曼（Alan Edelman），应用数学教授；数学系讲师克里斯托弗·拉卡卡斯（Christopher Rackauckas）。外部合作者包括Aaron Ridley（密歇根大学）和Boris Kramer（加利福尼亚大学圣地亚哥分校）。该团队将共同致力于通过创建一个以模型为中心的可组合软件框架来解决这一差距，该框架将全世界收集的各种观测数据吸收到电离层/热层系统的全球模型中。

“ MIT Haystack的研究计划包括关注近地空间的状况，我们的NSF赞助的Madrigal在线分布式数据库使用世界范围的科学观测数据，提供了最大的单个地面社区数据存储库，这些数据是有关空间天气及其对大气的影响的。这些广泛的数据包括有关总电子含量（TEC）的电离层遥感信息，几乎连续不断地遍布全球，并且是从成千上万的单个全球导航卫星系统社区接收器的网络中计算得出的。”“与下一代大气层和磁层建模系统的结果一起分析时，TEC数据提供了一项未来的关键创新，它将大大提高人类对至关重要的太空天气影响的理解。”

该项目旨在使用先进的计算工具来创建功能强大，灵活的软件平台，以收集和分析可在研究人员之间轻松共享和复制的大量观测数据。该平台还将被设计为即使计算机技术迅速发展并且新的研究人员使用新的机器在新的地方为该项目做出贡献的情况下也能正常工作。使用由麻省理工学院Edelman开发的高性能编程语言Julia，来自世界各地的研究人员将能够根据自己的目的定制软件以贡献其数据，而不必从头开始重写程序。

“我非常高兴朱莉娅（Julia）已经迅速成为科学机器学习的语言，并且是协作软件的出色工具，可以在太空天气应用中发挥关键作用，”埃德尔曼（Edelman）说。

根据Linares的说法，可组合软件框架将作为可以随时间扩展和改进的基础，从而增加空间天气预报功能和空间天气建模社区本身。

麻省理工学院领导的项目是在SWQU计划下获得三年拨款的六个项目之一。受白宫国家太空天气战略和行动计划以及国家战略计算计划的推动，SWQU计划的目标是召集各个科学领域的团队，共同推进科学领域的最新统计分析和高性能计算方法空间天气建模。

“ SWQU计划的一个主要目标是开发具有内置功能的可持续软件，该软件可以基于稀疏的观测数据来评估电磁地理空间干扰的可能性和大小，” NSF物理部计划主任Vyacheslav Lukin说。“我们期待着由麻省理工学院领导的多学科团队为此类开发奠定基础，以实现能够改变我们未来太空天气预报能力的进步。”