Oamenii de știință vor crea gemene digitale ale Pământului pentru a simula schimbările climatice

Pentru a deveni neutră din punct de vedere climatic până în 2050, Uniunea Europeană a lansat două programe ambițioase: Pactul verde

Ca o componentă cheie a implementării lor cu succes, oamenii de știință din domeniul climei și informaticienii au lansat inițiativa Destinația Pământ, care va începe la jumătatea anului 2021 și se așteaptă să dureze până la un deceniu.În această perioadă, ar trebui creat un model digital de înaltă precizie al Pământului – un geamăn digital al Pământului – pentru a descrie cu exactitate dezvoltarea climatică și evenimentele extreme din spațiu și timp.

Datele observaționale vor fi introduse continuugeamăn digital pentru a face modelul digital Pământ mai precis pentru a urmări evoluția și a prezice posibile traiectorii viitoare de schimbare. Dar, pe lângă datele observaționale utilizate în mod obișnuit pentru modelarea vremii și a climei, cercetătorii doresc, de asemenea, să integreze noi date despre activitățile umane relevante în model. Noul model al sistemului Pământului va afișa cât mai realist posibil aproape toate procesele de pe suprafața planetei, inclusiv influența umană asupra gestionării resurselor de apă, a alimentelor și a energiei, precum și a proceselor din sistemul fizic.

Un geamăn digital este conceput pentru a deveni un sistem informatic care dezvoltă și testeazăscenarii care demonstrează o dezvoltare mai durabilă și, prin urmare, o mai bună informarePolitică.

"De exemplu, dacă intenționați să construiți un baraj de doi metri în Olanda, pot să mă uit la datele din geamănul meu digital și să văd dacă va fiLee Dam va continua să protejeze evenimentele extreme așteptate în 2050.

Peter Bauer, director adjunct pentru cercetare la Centrul European pentru Prognoze Meteorologice pe Termen Mediu (ECMWF) și co-inițiatorDestinația Pământ.

Gemenul digital va fi, de asemenea, utilizat pentru planificarea strategică a apei dulci și a alimentelor sau a centralelor eoliene și solare.

Cercetătorii spun ce să ia în consideraredezvoltarea constantă a modelelor meteorologice începând cu anii 1940. Meteorologii au fost primii care au început să modeleze procesele fizice pe cele mai mari computere din lume. Modelele climatice și meteorologice de astăzi sunt ideale pentru definirea unor modalități complet noi de utilizare eficientă a supercomputerelor pentru multe alte discipline științifice.

În trecut, când modelam vremea și climaa folosit diferite abordări pentru modelarea sistemului Pământului. În timp ce modelele climatice reprezintă o gamă foarte largă de procese fizice, ele de obicei nu iau în considerare procesele la scară mică, care sunt necesare pentru predicții meteo mai precise, care la rândul lor se concentrează pe mai puține procese. Gemenul digital va uni ambele zone și va permite proceselor complexe ale întregului sistem Pământ să fie simulate la rezoluție înaltă. Dar pentru a face acest lucru, codurile programelor de simulare trebuie adaptate noilor tehnologii care promit o putere de calcul semnificativ mai mare.

Cu computere și algoritmi disponibiliastăzi, simulări foarte complexe cu greu pot fi efectuate la rezoluția extrem de mare planificată de un kilometru, deoarece de zeci de ani, dezvoltarea codului sa oprit din perspectiva informaticii. Cercetările climatice au beneficiat de capacitatea de a îmbunătăți performanța prin utilizarea procesoarelor de generație următoare, fără a fi nevoie să revizuiască programul său. Acest câștig gratuit de performanță cu fiecare nouă generație de procesoare sa oprit în urmă cu aproximativ 10 ani. Drept urmare, programele moderne pot folosi adesea doar 5% din performanța maximă a procesoarelor convenționale.

Pentru a realiza îmbunătățirile necesare, oamenii de științăsubliniază nevoia de proiectare colaborativă, adică dezvoltarea comună și simultană de hardware și algoritmi, care a fost demonstrată cu succes de echipa de cercetare în ultimii zece ani. Ei propun să acorde o atenție specială structurilor generale de date, eșantionării spațiale optimizate a grilei calculate și optimizării lungimilor pasului de timp. Oamenii de știință doresc, de asemenea, să decupeze coduri pentru rezolvarea unei probleme științifice de coduri care efectuează un calcul optim pe arhitectura sistemului adecvată. Această structură mai flexibilă a programului va permite trecerea mai rapidă și mai eficientă la viitoarele arhitecturi.

Autorii văd, de asemenea, un mare potențial îninteligență artificială. Poate fi folosit, de exemplu, pentru asimilarea datelor sau procesarea datelor observaționale, reprezentarea proceselor fizice nedefinite în modele și comprimarea datelor. Astfel, AI poate accelera modelarea și filtra cele mai importante informații din cantități mari de date. În plus, cercetătorii sugerează că utilizarea învățării automate nu numai că face calculele mai eficiente, dar poate ajuta și la descrierea proceselor fizice mai precis.

Oamenii de știință își revizuiesc documentul de strategieca punct de plecare pe calea către crearea unui gemeni digital al Pământului. Printre arhitecturile de calculatoare disponibile astăzi și așteptate în viitorul apropiat, supercomputerele bazate pe unități de procesare grafică (GPU) par a fi opțiunea cea mai promițătoare. Cercetătorii estimează că un geamăn digital la scară largă va necesita un sistem cu aproximativ 20.000 de GPU-uri și aproximativ 20 de megawați de putere. Atât din motive economice, cât și de mediu, un astfel de computer trebuie să funcționeze într-o locație în care energia electrică neutră în materie de CO2 este disponibilă în cantități suficiente.

Citește și:

Fizicienii au creat un analog al unei găuri negre și au confirmat teoria lui Hawking. Unde duce?

Oamenii de știință au descoperit limita de viteză în lumea cuantică.

Avortul și știința: ce se va întâmpla cu copiii care vor naște.