لكي يصبح الاتحاد الأوروبي محايدا مناخيا بحلول عام 2050، أطلق برنامجين طموحين: الصفقة الخضراء
سيتم إدخال بيانات المراقبة بشكل مستمرتوأم رقمي لجعل النموذج الرقمي للأرض أكثر دقة لتتبع التطور والتنبؤ بالمسارات المستقبلية المحتملة للتغيير. ولكن بالإضافة إلى بيانات الرصد المستخدمة بشكل شائع لنمذجة الطقس والمناخ ، يريد الباحثون أيضًا دمج بيانات جديدة حول الأنشطة البشرية ذات الصلة في النموذج. سيعرض النموذج الجديد لنظام الأرض عمليا جميع العمليات على سطح الكوكب بأكبر قدر ممكن من الواقعية ، بما في ذلك التأثير البشري على إدارة موارد المياه والغذاء والطاقة ، وكذلك العمليات في النظام المادي.
ويهدف التوأم الرقمي إلى أن يكون نظام معلومات يطور ويختبر السيناريوهات التي تظهر تنمية أكثر استدامة وبالتالي توجيه السياسات بشكل أفضل.
"على سبيل المثال، إذا كنت تخطط للبناء"سدًا بطول مترين في هولندا، يمكنني إلقاء نظرة على البيانات الموجودة في توأمي الرقمي والتحقق مما إذا كان السد سيظل يوفر الحماية ضد الأحداث المتطرفة المتوقعة في عام 2050."
بيتر باور هو نائب مدير الأبحاث في المركز الأوروبي للتنبؤات الجوية متوسطة المدى (ECMWF) والمؤسس المشارك لمبادرة Destination Earth.
كما سيتم استخدام التوأم الرقمي للتخطيط الاستراتيجي لإمدادات المياه العذبة والغذاء أو محطات طاقة الرياح والطاقة الشمسية.
يقول الباحثون ما يجب مراعاتهالتطور المطرد لأنماط الطقس منذ الأربعينيات. كان علماء الأرصاد الجوية أول من بدأ بنمذجة العمليات الفيزيائية على أكبر أجهزة الكمبيوتر في العالم. تعد نماذج الطقس والمناخ اليوم مثالية لتحديد طرق جديدة تمامًا لاستخدام أجهزة الكمبيوتر العملاقة بكفاءة للعديد من التخصصات العلمية الأخرى.
في الماضي عند نمذجة الطقس والمناخاستخدمت أساليب مختلفة لنمذجة نظام الأرض. بينما تمثل النماذج المناخية نطاقًا واسعًا جدًا من العمليات الفيزيائية ، فإنها عادة لا تأخذ في الحسبان العمليات الصغيرة الحجم اللازمة لتنبؤات أكثر دقة بالطقس ، والتي تركز بدورها على عمليات أقل. سوف يوحد التوأم الرقمي كلا المنطقتين ويسمح بمحاكاة العمليات المعقدة لنظام الأرض بأكمله بدقة عالية. ولكن للقيام بذلك ، يجب تكييف رموز برامج المحاكاة مع التقنيات الجديدة التي تعد بقوة حوسبة أعلى بكثير.
مع أجهزة الكمبيوتر والخوارزميات المتاحةاليوم ، يصعب إجراء عمليات محاكاة معقدة للغاية بدقة عالية للغاية مخطط لها تبلغ كيلومترًا واحدًا ، لأنه على مدى عقود ، توقف تطوير الكود من منظور علوم الكمبيوتر. استفادت أبحاث المناخ من القدرة على تحسين الأداء من خلال استخدام معالجات الجيل التالي دون الحاجة إلى إصلاح برنامجها. هذا التعزيز المجاني للأداء مع كل جيل جديد من المعالجات توقف منذ حوالي 10 سنوات. نتيجة لذلك ، يمكن للبرامج الحديثة في كثير من الأحيان استخدام 5٪ فقط من الأداء الأقصى للمعالجات التقليدية.
لتحقيق التحسينات اللازمة ، العلماءالتأكيد على الحاجة إلى التصميم التعاوني ، أي التطوير المشترك والمتزامن للأجهزة والخوارزميات ، والذي تم إثباته بنجاح من قبل فريق البحث على مدى السنوات العشر الماضية. يقترحون إيلاء اهتمام خاص لهياكل البيانات العامة ، وأخذ العينات المكانية المحسنة للشبكة المحسوبة ، وتحسين أطوال الخطوات الزمنية. يريد العلماء أيضًا فصل الرموز لحل مشكلة علمية عن الأكواد التي تؤدي الحساب الأمثل في بنية النظام المقابلة. ستتيح بنية البرنامج الأكثر مرونة هذه التبديل بشكل أسرع وأكثر كفاءة إلى البنى المستقبلية.
يرى المؤلفون أيضًا إمكانات كبيرة فيالذكاء الاصطناعي. يمكن استخدامه ، على سبيل المثال ، لاستيعاب البيانات أو معالجة بيانات المراقبة ، وتمثيل العمليات الفيزيائية غير المحددة في النماذج ، وضغط البيانات. وبالتالي ، يمكن للذكاء الاصطناعي تسريع النمذجة وتصفية المعلومات الأكثر أهمية من كميات كبيرة من البيانات. بالإضافة إلى ذلك ، يقترح الباحثون أن استخدام التعلم الآلي لا يجعل العمليات الحسابية أكثر كفاءة فحسب ، بل يمكن أن يساعد أيضًا في وصف العمليات الفيزيائية بشكل أكثر دقة.
يراجع العلماء ورقة استراتيجيتهمكنقطة انطلاق على طريق إنشاء توأم رقمي للأرض. من بين هياكل الكمبيوتر المتاحة اليوم والمتوقعة في المستقبل القريب ، يبدو أن أجهزة الكمبيوتر العملاقة القائمة على وحدات معالجة الرسومات (GPU) هي الخيار الأكثر نجاحًا. يقدر الباحثون أن التوأم الرقمي الكامل سيتطلب نظامًا به ما يقرب من 20000 وحدة معالجة رسومات وحوالي 20 ميغاواط من الطاقة. لأسباب اقتصادية وبيئية ، يجب أن يعمل هذا الكمبيوتر في مكان تتوفر فيه الكهرباء المولدة باستخدام محايد ثاني أكسيد الكربون بكميات كافية.
اقرأ أيضًا:
ابتكر الفيزيائيون نظيرًا للثقب الأسود وأكدوا نظرية هوكينغ. إلى أين تقود؟
اكتشف العلماء حدود السرعة في عالم الكم.
الإجهاض والعلم: ماذا سيحدث للأطفال الذين سينجبون.