Om in 2050 klimaatneutraal te zijn, heeft de Europese Unie twee ambitieuze programma’s gelanceerd: de Green Deal
Observatiegegevens worden continu ingevoerdeen digitale tweeling om het digitale model van de aarde nauwkeuriger te maken om de evolutie te volgen en mogelijke toekomstige trajecten van verandering te voorspellen. Maar naast de waarnemingsgegevens die veel worden gebruikt om weer en klimaat te modelleren, willen de onderzoekers ook nieuwe gegevens over relevante menselijke activiteiten in het model integreren. Het nieuwe model van het aardesysteem zal praktisch alle processen op het aardoppervlak zo realistisch mogelijk weergeven, inclusief de menselijke invloed op het beheer van watervoorraden, voedsel en energie, evenals processen in het fysieke systeem.
De digital twin wil een informatiesysteem zijn dat scenario’s ontwikkelt en test die een duurzamere ontwikkeling demonstreren en daarmee het beleid beter informeren.
“Bijvoorbeeld als je gaat bouwentweemeterdam in Nederland kan ik de gegevens in mijn digital twin bekijken en controleren of de dam in 2050 nog steeds bescherming biedt tegen verwachte extreme gebeurtenissen.”
Peter Bauer is adjunct-directeur onderzoek bij het European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) en mede-initiatiefnemer van Destination Earth.
De digitale tweeling zal ook worden gebruikt voor strategische planning van zoetwater- en voedselvoorraden of wind- en zonne-energiecentrales.
Onderzoekers zeggen waar ze op moeten lettengestage ontwikkeling van weerpatronen sinds de jaren veertig. Meteorologen waren de eersten die begonnen met het modelleren van fysieke processen op 's werelds grootste computers. De weer- en klimaatmodellen van vandaag zijn ideaal voor het definiëren van geheel nieuwe manieren om supercomputers efficiënt in te zetten voor vele andere wetenschappelijke disciplines.
In het verleden bij het modelleren van weer en klimaatgebruikte verschillende benaderingen om het aardesysteem te modelleren. Hoewel klimaatmodellen een zeer breed scala aan fysieke processen vertegenwoordigen, houden ze meestal geen rekening met de kleinschalige processen die nodig zijn voor nauwkeurigere weersvoorspellingen, die op hun beurt gericht zijn op minder processen. De digitale tweeling zal beide gebieden verenigen en het mogelijk maken om de complexe processen van het hele aardesysteem in hoge resolutie te simuleren. Maar om dit te doen, moeten de codes van de simulatieprogramma's worden aangepast aan nieuwe technologieën die een veel grotere rekenkracht beloven.
Met computers en algoritmen beschikbaarTegenwoordig kunnen zeer complexe simulaties nauwelijks worden uitgevoerd met de geplande extreem hoge resolutie van een kilometer, omdat de ontwikkeling van code vanuit computerwetenschappelijk perspectief decennialang vastloopt. Climate Research heeft geprofiteerd van het vermogen om de prestaties te verbeteren door het gebruik van processoren van de volgende generatie zonder dat het programma hoeft te worden herzien. Deze gratis prestatieverbetering bij elke nieuwe generatie processors stopte ongeveer 10 jaar geleden. Als gevolg hiervan kunnen moderne programma's vaak maar 5% van de maximale prestaties van conventionele processors gebruiken.
Om de nodige verbeteringen te bereiken, wetenschappersbenadrukken de behoefte aan collaboratief ontwerp, dat wil zeggen de gezamenlijke en gelijktijdige ontwikkeling van hardware en algoritmen, hetgeen de afgelopen tien jaar met succes is aangetoond door het onderzoeksteam. Ze stellen voor om speciale aandacht te besteden aan algemene gegevensstructuren, geoptimaliseerde ruimtelijke bemonstering van het berekende raster en optimalisatie van tijdstaplengtes. Wetenschappers willen ook codes voor het oplossen van een wetenschappelijk probleem ontkoppelen van codes die optimale berekeningen uitvoeren in de bijbehorende systeemarchitectuur. Deze flexibelere programmastructuur maakt een snellere en efficiëntere overschakeling naar toekomstige architecturen mogelijk.
De auteurs zien ook een groot potentieel inkunstmatige intelligentie. Het kan bijvoorbeeld worden gebruikt om gegevens te assimileren of observatiegegevens te verwerken, ongedefinieerde fysieke processen in modellen weer te geven en gegevens te comprimeren. Zo kan AI het modelleren versnellen en de belangrijkste informatie uit grote hoeveelheden gegevens filteren. Bovendien suggereren de onderzoekers dat het gebruik van machine learning niet alleen berekeningen efficiënter maakt, maar ook kan helpen om fysieke processen nauwkeuriger te beschrijven.
Wetenschappers herzien hun strategiedocumentals startpunt op weg naar het creëren van een digitale aardetweeling. Van de huidige computerarchitecturen die in de nabije toekomst worden verwacht, lijken supercomputers op basis van grafische verwerkingseenheden (GPU's) de meest veelbelovende optie. Onderzoekers schatten dat een full-scale digital twin een systeem nodig heeft met ongeveer 20.000 GPU's en ongeveer 20 megawatt aan vermogen. Zo'n computer moet zowel om economische als om milieuredenen werken op een locatie waar de elektriciteit die CO2-neutraal is opgewekt in voldoende mate beschikbaar is.
Lees ook:
Natuurkundigen hebben een analoog van een zwart gat gemaakt en de theorie van Hawking bevestigd. Waar leidt het toe?
Wetenschappers hebben de snelheidslimiet in de kwantumwereld ontdekt.
Abortus en wetenschap: wat gebeurt er met de kinderen die zullen bevallen.