Un gemello digitale della Terra ne simulerà in futuro tutto il sistema climatico. Lo scopo di questo progetto è quello di supportare i responsabili politici nell’adozione di misure appropriate per prepararsi meglio agli eventi estremi. Un documento strategico redatto da scienziati e informatici dell’europea ETH di Zurigo mostra come si possa raggiungere questo obiettivo.
Per diventare neutrale dal punto di vista climatico entro il 2050, l’Unione Europea ha lanciato due ambiziosi programmi: Green Deal e DigitalStrategy. La componente chiave per il successo della loro implementazione di successo sarà l’iniziativa Destination Earth, che inizierà a metà del 2021 e dovrebbe durare fino a dieci anni. Durante questo periodo, verrà creato un modello digitale della Terra estremamente accurato, un gemello digitale della Terra, per mappare lo sviluppo del clima e gli eventi estremi nel modo più accurato possibile nello spazio e nel tempo.
I dati osservativi saranno continuamente incorporati nel gemello virtuale al fine di rendere il modello digitale della Terra più accurato per monitorare l’evoluzione e prevedere possibili traiettorie future.
Ma oltre ai dati di osservazione convenzionalmente utilizzati per le simulazioni meteorologiche e climatiche, i ricercatori vogliono anche integrare nel modello nuovi dati sulle attività umane rilevanti. Il nuovo modello del sistema Terra rappresenterà virtualmente tutti i processi sulla superficie terrestre nel modo più realistico possibile, inclusa l’influenza degli esseri umani sulla gestione dell’acqua, del cibo e dell’energia e i processi nel sistema fisico della Terra.
Un sistema informativo per nutrire il gemello digitale della Terra e aiutare il processo decisionale
Il gemello digitale della Terra vuole essere un sistema informativo che modella e testa scenari che mostrano uno sviluppo più sostenibile e quindi informano meglio i responsabili delle decisioni politiche.
“Se stai progettando una diga alta due metri nei Paesi Bassi, ad esempio, posso esaminare i dati nel mio gemello digitale e verificare se ci sono probabilità che la diga proteggerà ancora da eventi estremi previsti nel 2050“, afferma Peter Bauer, vicedirettore per la ricerca presso il Centro europeo per le previsioni meteorologiche a medio termine (ECMWF) e cofondatore di Destination Earth.
Il gemello digitale sarà utilizzato anche per la pianificazione strategica delle forniture di acqua dolce e cibo o di parchi eolici e impianti solari.
Le forze trainanti di Destination Earth sono l’ECMWF, l’Agenzia spaziale europea (ESA) e l’Organizzazione europea per lo sfruttamento dei satelliti meteorologici (EUMETSAT).
Insieme ad altri scienziati, Bauer sta progettando la climatologia e gli aspetti meteorologici del gemello digitale della Terra, ma si affidano anche al know-how degli scienziati informatici dell’ETH di Zurigo e del Centro nazionale svizzero di supercalcolo (CSCS), ovvero i professori dell’ETH Torsten Hoefler, dell’Institute for High Performance Computing Systems e Thomas Schulthess, Director of CSCS.
Per fare questo grande passo nella rivoluzione digitale, occorrerà, come sottolinea Bauer, tenere conto della necessità che le scienze della terra si sposino con le scienze informatiche.
In una recente pubblicazione su Nature Computational Science, il team di ricercatori delle scienze della terra e dei computer discute quali misure concrete vorrebbero utilizzare per far avanzare questa “rivoluzione digitale delle scienze del sistema terra“, dove vedono le sfide e quali possibili soluzioni possono essere trovate.
Modelli meteorologici e climatici come base
Nel loro articolo, i ricercatori guardano indietro al costante sviluppo dei modelli meteorologici dagli anni ’40, una storia di successo che si è svolta in silenzio. I meteorologi hanno sperimentato, per così dire, simulazioni di processi fisici sui computer più grandi del mondo.
In qualità di fisico e scienziato informatico, Schulthess del CSCS è convinto che i modelli meteorologici e climatici odierni siano ideali per identificare modi completamente nuovi per molte più discipline scientifiche su come utilizzare i supercomputer in modo efficiente.
In passato, i modelli meteorologici e climatici utilizzavano approcci diversi per simulare il sistema Terra.
I modelli climatici, in genere, rappresentano un insieme molto ampio di processi fisici, però trascurano i processi su piccola scala, che, tuttavia, sono essenziali per previsioni meteorologiche più precise che a loro volta si concentrano su un numero inferiore di processi.
Il gemello digitale della Terra riunirà entrambe le aree e consentirà simulazioni ad alta risoluzione che raffigurano i processi complessi dell’intero sistema Terra. Per raggiungere questo obiettivo, tuttavia, i codici dei programmi di simulazione dovranno essere adattati alle nuove tecnologie che promettono una potenza di calcolo molto maggiore.
Con i computer e gli algoritmi disponibili oggi, le simulazioni altamente complesse difficilmente possono essere eseguite alla risoluzione estremamente elevata pianificata di un chilometro perché per decenni lo sviluppo del codice è rimasto fermo dal punto di vista dell’informatica.
La ricerca sul clima ha beneficiato della possibilità di ottenere prestazioni più elevate tramite le nuove generazioni di processori senza dover cambiare radicalmente i software. Questo aumento gratuito delle prestazioni con ogni nuova generazione di processori si è interrotto circa 10 anni fa. Di conseguenza, i programmi odierni possono spesso utilizzare solo il 5% delle prestazioni massime dei processori convenzionali (CPU).
Per ottenere i miglioramenti necessari, gli autori sottolineano la necessità del co-design, ovvero lo sviluppo di hardware e algoritmi insieme e simultaneamente, come CSCS ha dimostrato con successo negli ultimi dieci anni. Suggeriscono di prestare particolare attenzione a strutture dati generiche, discretizzazione spaziale ottimizzata della griglia da calcolare e ottimizzazione delle lunghezze delle fasi temporali.
Gli scienziati propongono inoltre di separare i codici per risolvere il problema scientifico dai codici che eseguono in modo ottimale il calcolo sulla rispettiva architettura di sistema. Questa struttura di programma più flessibile consentirebbe un passaggio più rapido ed efficiente alle architetture future.
Approfittando dell’intelligenza artificiale
Gli autori vedono anche un grande potenziale nell’intelligenza artificiale (AI).
Può essere utilizzato, ad esempio, per l’assimilazione o l’elaborazione dei dati di osservazione, la rappresentazione di processi fisici incerti nei modelli e la compressione dei dati. L’intelligenza artificiale consentirebbe quindi di velocizzare le simulazioni e filtrare le informazioni più importanti da grandi quantità di dati. Inoltre, i ricercatori presumono che l’uso dell’apprendimento automatico non solo renderebbe i calcoli più efficienti, ma possa anche aiutare a descrivere i processi fisici in modo più accurato.
Gli scienziati vedono il loro documento strategico come un punto di partenza nel percorso verso un gemello digitale della Terra.
Tra le architetture di computer disponibili oggi e quelle previste nel prossimo futuro, i supercomputer basati su unità di elaborazione grafica (GPU) sembrano essere l’opzione più promettente.
I ricercatori stimano che il funzionamento di un gemello digitale della Terra su vasta scala richiederebbe un sistema con circa 20.000 GPU, che consumano circa 20 MW di potenza. Per ragioni sia economiche che ecologiche, un computer di questo tipo dovrebbe essere utilizzato in un luogo in cui l’elettricità generata a zero emissioni di CO2 sia disponibile in quantità sufficienti.