Набор данных дневных аврор с миссии Global-scale Observations of the Limb and Disk

Огни в дневном небе

Большинство людей представляют северное сияние как мерцающие занавеси на тёмной полярной ночи. Но авроры на самом деле никогда не выключаются — они также светятся на освещённой Солнцем стороне Земли, скрытые за дневным сиянием. В этом исследовании представлен новый общедоступный набор данных, который наконец выводит эти неуловимые дневные авроры в фокус, используя вид Земли, похожий на зонд погодного спутника, и современные методы обработки изображений, заимствованные из компьютерного зрения и глубинного обучения.

Наблюдение Земли из фиксированного окна в космосе

Данные получены с миссии NASA GOLD — прибора, находящегося на геостационарной орбите с 2018 года. Со своей фиксированной позиции над Америками и Атлантикой GOLD постоянно наблюдает одну и ту же половину планеты в дальнем ультрафиолетовом диапазоне — участках длин волн, невидимых глазу, но идеальных для отслеживания энергичных частиц, создающих авроры. Когда электроны из околоземного пространства сталкиваются с атомами и молекулами высоко над полюсами, они испускают характерные ультрафиолетовые цвета. GOLD регистрирует эти излучения в трёх таких диапазонах, обеспечивая повторяющиеся снимки северного аврорального региона в течение дня на протяжении более шести с половиной лет.

Отделение слабеющих аврор от яркого дневного неба

Наблюдать дневные авроры из космоса трудно, потому что верхняя атмосфера также светится под воздействием солнечного света, создавая яркий фон, известный как дневное сияние. Это сияние легко заглушает более тонкие авроральные структуры, которые интересуют учёных. Авторы обращают это препятствие в преимущество, используя вид GOLD на Южное полушарие. В значительной части миссии крайне южные области в поле зрения GOLD почти свободны от аврор и доминируются лишь дневным сиянием. Сопоставляя южные изображения с северными, снятыми при схожих сезонных и освещённых условиях, команда обучает нейронную сеть предсказывать, как будет выглядеть дневное сияние помегапиксельно для заданной геометрии наблюдения и уровня геомагнитной активности.

От сырых снимков к чистым картам аврор

Вооружившись этой обученной моделью, исследователи оценивают и вычитают дневное сияние из каждого северного скана, оставляя лишь дополнительный свет, обусловленный аврорами. Даже после этого остаются следы неаврорного сигнала, особенно вблизи лимба — видимого края диска Земли. Чтобы уточнить результат, команда создала многоступенчатый классический конвейер обработки изображений. Они повышают резкость и фильтруют изображения, чтобы выделить изогнутые кольцеобразные структуры, объединяют яркие пиксели в когерентные пятна на высоких широтах и тщательно отличают истинные аврорные дуги от похожих по виду свечений на лимбе. Это даёт начальный набор бинарных «масок», отмечающих, какие пиксели содержат аврору, а какие нет, для каждого спектрального диапазона.

Обучение нейронной сети распознавать авроры

Хотя этот метод на основе правил хорошо работает, когда GOLD часто сканирует Землю, его допущения начинают нарушаться после того, как частота съёмки миссии снизилась в 2022 году. Чтобы обеспечить согласованность за все годы, авторы используют свои классические маски из года с высококачественными данными в качестве обучающего материала для второй нейронной сети. Эта модель учится преобразовывать сырые северные сканы напрямую в аврорные маски, без промежуточных хитростей по сглаживанию границ. В сравнении с независимой, хорошо зарекомендовавшей себя моделью глобального аврорального овала, подход глубокого обучения немного превосходит классический метод и ведёт себя надёжно в широком диапазоне условий космической погоды.

Новый ресурс для наблюдателей космической погоды

В результате получена отобранная коллекция из более чем 47 000 наблюдений дневных аврор с 2018 по середину 2025 года, упакованная в формат, готовый к научному использованию. Для каждого снимка пользователи получают сырые ультрафиолетовые изображения в трёх ключевых «цветах», лучшие оценки фонового дневного сияния и чистую карту присутствия аврор, а также подробную информацию о времени и положении. Устранив основное препятствие в обработке, этот набор данных открывает возможности для исследований того, как дневная авроральная зона смещается под влиянием солнечного ветра, для тестирования моделей, связывающих магнитное окружение Земли с её верхней атмосферой, и для обучения будущих систем машинного обучения прогнозированию последствий космической погоды, которые могут повлиять на электросети, радиосвязь и спутники.

Цитирование: Holmes, J., England, S.L. A dayside aurora dataset from the Global-scale Observations of the Limb and Disk mission. Sci Data 13, 481 (2026). https://doi.org/10.1038/s41597-026-06884-2

Ключевые слова: аврора, космическая погода, миссия GOLD, спутниковая съёмка, глубокое обучение