Apparentemente la Terra stava perdendo acqua.

Ruby Leung, uno scienziato del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) del Department of Energy (DOE), e il suo team erano sconcertati dai loro risultati.

"Abbiamo visto il livello del mare diminuire a un ritmo allarmante, " lei disse.

Fortunatamente, stavano solo guardando una Terra virtuale. Si resero presto conto che c'erano errori nel modello di computer del sistema terrestre che stavano sviluppando. Gli scienziati usano questi programmi per computer per visualizzare il presente e vedere nel futuro. Devono avvicinarsi il più possibile alla modellazione di come funzionano i sistemi della Terra nella vita reale. Perché la vera Terra fa il ciclo dell'acqua ma non la perde mai, nemmeno il modello.

Identificare il problema è stato semplice. Ripararlo non lo era. Ci sono centinaia di variabili nel modello che potrebbero influenzare il ciclo dell'acqua. Individuare quello esatto e modificarlo senza creare un'altra imprecisione può richiedere ore o giorni di lavoro. In questo caso, il modello non stava inviando tutti i flussi di deflusso dell'acqua dalla terra all'oceano. Inoltre, il modello atmosferico perdeva una piccolissima quantità di acqua ad ogni passaggio temporale, che ha aggiunto parecchio. Per fissare il problema, Leung e colleghi hanno cambiato il modello per conservare l'acqua.

Risolvere questo problema è stata solo una delle tante sfide che il team ha dovuto affrontare durante lo sviluppo del nuovo software del DOE:l'Energy Exascale Earth System Model (E3SM). Rappresentando molti dei sistemi e delle interazioni della Terra in modo più dettagliato che mai, sperano di aiutare gli scienziati a comprendere meglio il nostro pianeta oggi e in futuro.

Capire una Terra che cambia

La Terra è sempre stata e sempre cambierà. Ma le attività umane stanno accelerando questi cambiamenti e c'è un accordo generale sul fatto che le temperature globali stiano aumentando. Mentre gli scienziati possono prevedere ampiamente come l'aumento delle temperature influenzerà il nostro mondo, i responsabili politici e i pianificatori devono capire cosa accadrà alle singole città e stati. È qui che entrano in gioco i modelli del sistema Terra.

Il DOE è interessato a capire come la produzione di energia potrebbe influenzare i sistemi della Terra e viceversa. Mentre la produzione di energia può accelerare il cambiamento climatico, l'aumento delle temperature può anche influenzare la produzione e l'uso di energia. La mancanza di acqua può ridurre la produzione di una centrale idroelettrica o limitare l'acqua disponibile per il raffreddamento delle centrali nucleari.

"DOE e i suoi predecessori hanno sempre avuto la missione di comprendere le conseguenze ambientali della produzione e dell'uso dell'energia, " ha detto David Bader, uno scienziato del Lawrence Livermore National Laboratory del DOE e capo del team E3SM. "Sappiamo che il sistema climatico e terrestre non è stazionario. Cambia. Abbiamo bisogno di un modo per capire le interazioni".

La portata dei modelli del sistema Terra li rende unici. Gli scienziati costruiscono una varietà di programmi software per simulare diversi sistemi naturali, ma i modelli del sistema Terra li mettono tutti insieme. Dimostrano come questi sistemi individuali, l'atmosfera, suolo, oceano, lastre di ghiaccio, e altro ancora:interagisci. Incorporano anche molti aspetti dell'attività umana, come i prodotti della produzione di energia, gestione e uso dell'acqua, e la gestione dell'agricoltura, nonché altri cambiamenti nell'uso del suolo o nella copertura del suolo.

Queste combinazioni aiutano gli scienziati a comprendere l'interazione attuale e futura tra il mondo naturale e le attività umane. Per garantire che un modello rappresenti correttamente il presente, confrontano i risultati modellati con le osservazioni della vita reale. Le previsioni che guardano a decenni nel futuro aiutano le persone che progettano ponti o centrali elettriche a capire come le loro scelte a lungo termine potrebbero influenzare o essere influenzate da questi cambiamenti.

Un modello che ruota intorno all'energia

Mentre c'è solo una Terra, ci sono molti modelli del sistema Terra. I membri del team E3SM hanno progettato il loro modello per rispondere a domande rilevanti per la missione del DOE.

Uno dei santi graal quando si tratta di pianificazione energetica è essere in grado di prevedere come e quando piove, neve, e altre precipitazioni cadono sulla terra. I cambiamenti climatici e di uso del suolo potrebbero aumentare la capacità dell'atmosfera di trattenere l'umidità e causare tempeste più frequenti e intense. In contrasto, potrebbe anche portare a una maggiore evaporazione, con conseguente maggiore siccità. O molto probabilmente, entrambi potrebbero verificarsi in luoghi diversi in tutto il mondo.

Il nuovo modello si concentra su tre aree che hanno effetti significativi sulle precipitazioni superficiali, venti, e temperatura, nonché la produzione di energia:il ciclo dell'acqua, il modo in cui i diversi componenti del sistema Terra scambiano flussi biogeochimici, e il movimento e lo scioglimento delle calotte glaciali.

"Per prevedere le precipitazioni, devi capire davvero quasi ogni altra parte del sistema Terra, " ha detto Leung. "L'atmosfera gioca il ruolo di collegare tutto. L'atmosfera non è locale."

Combinare questi sistemi in un unico modello e ottenere il livello di dettaglio necessario non è qualcosa che puoi fare sul tuo computer desktop. Anziché, richiede le grandi macchine, i supercomputer presso le strutture per gli utenti dell'Office of Science del DOE. I programmatori E3SM hanno scritto il software per trarre il massimo vantaggio dall'hardware e dai sistemi operativi di questi computer. Il team lo sta anche progettando in modo da poter aggiornare il modello per l'esecuzione sui futuri computer exascale del DOE. Questi computer saranno 50 volte più potenti dei computer più veloci di oggi.

Utilizzando questi computer, il modello sarà in grado di fornire molti più dettagli rispetto ai precedenti modelli del sistema Terra. Il team prevede che E3SM offrirà il doppio del livello di dettaglio complessivo utilizzando il nuovo vertice di supercomputer dell'Oak Ridge Leadership Computing Facility (una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE). rispetto ai modelli attuali. A seconda della necessità, può anche offrire la stessa quantità di dettagli complessivi nella maggior parte del mondo, fornendo al contempo una risoluzione estremamente elevata in aree specifiche. Questa risoluzione perfezionata a livello regionale consentirà agli scienziati di esaminare gli effetti su una base molto più regionale. Ciò potrebbe aiutarli a comprendere meglio le attività umane, come l'agricoltura, che variano da luogo a luogo.

Questa potenza di calcolo consentirà inoltre loro di eseguire 10 volte il numero di simulazioni che possono attualmente.

"Ora possiamo fare più simulazioni utilizzando meno risorse, " ha detto Mark Taylor, uno scienziato presso i Sandia National Laboratories del DOE e capo scienziato computazionale di E3SM.

L'esecuzione del programma su computer exascale consentirà salti ancora più grandi nella complessità e nei dettagli del modello.

Come creare uno strumento che scruta nel futuro

Costruire un modello così complicato è come ricostruire un'auto. Potresti iniziare con lo stesso frame, ma quando metti a punto alcune vecchie parti, sostituisci gli altri con quelli nuovi, e far funzionare tutto insieme, sembra e agisce in modo completamente diverso.

Per iniziare, il team ha lavorato con un modello di sistema terrestre esistente:il Community Earth System Model.

La sfida più grande con il Community Earth System Model - e tutti i modelli di Earth System esistenti - è che ci sono aree in cui le simulazioni sono costantemente imprecise. Mentre la loro modellazione corrisponde ampiamente alle prove, alcuni dettagli non corrispondono del tutto alle osservazioni.

Sfortunatamente, questi problemi non hanno una soluzione semplice.

"Non è che puoi cambiare una cosa e si corregge. Si cambia una cosa e di solito si peggiora qualcos'altro perché il sistema è interconnesso, " ha detto Bader. Proprio come il vero sistema della Terra.

Esistono diversi percorsi che i modellisti stanno perseguendo per ridurre questi errori.

La revisione del modello base è il punto di partenza più logico. Gli scienziati possono spesso migliorare i modelli modificando le equazioni fisiche e le teorie ecologiche basate sui risultati della ricerca. Dati osservativi, come dall'ARM Climate Research Facility del DOE Office of Science, fornire regolarmente nuovi spunti.

Sostituendo i sottomodelli esistenti con nuovi, quelli più precisi è un altro approccio. Il team E3SM ha intrapreso l'enorme compito di sviluppare quattro distinti, sottomodelli completamente nuovi che rappresentano i fiumi, l'oceano globale, mare ghiacciato, e ghiaccio terrestre.

"Ci sono processi che normalmente non sono stati rappresentati in nessun modello di sistema terrestre in tutto il mondo, " ha detto Leung, facendo riferimento al modello fluviale. "Senza queste parti, ci mancano alcuni degli importanti collegamenti nell'energia globale, acqua, e cicli biogeochimici".

Ma aggiungere questi nuovi modelli non è una questione di taglia e incolla. Gli scienziati devono collegarli accuratamente in modo che i cambiamenti in uno influenzino correttamente gli altri.

"Sostituisci tutti questi componenti e speri che questo modello funzioni meglio di prima. Ma non è pura fortuna. Hai davvero bisogno di tornare alle origini, "Ha detto Leung.

Simile al problema "acqua mancante", il team ha affrontato una sfida simile con il loro modello oceanico. Dopo averlo sostituito, hanno visto che l'intero sistema terrestre non stava simulando l'oscillazione El Nino-Southern, una grande influenza sui modelli meteorologici. Il team si è reso conto che i modelli dell'atmosfera e dell'oceano rappresentavano la relazione tra il vento e il movimento dell'acqua nell'oceano in modo diverso rispetto alle osservazioni. Per rendere entrambi più precisi, hanno rivisto i processi per farli combaciare.

Migliorando sempre, Sperimentando sempre

Tutto questo duro lavoro è stato ripagato quando il team ha rilasciato la prima versione del modello lo scorso aprile. Ma sono tutt'altro che fatti. Infatti, si aspettano di produrre almeno altre tre versioni in futuro.

Stanno già migliorando il modello attuale modificando i sottomodelli al suo interno. I ricercatori hanno pubblicato un articolo su come migliorare il modo in cui il modello fluviale rappresenta le inondazioni in Amazzonia. Utilizzando dati topografici sui canali fluviali e informazioni su come l'acqua scorre tra la terra e il fiume, sono stati in grado di rendere il sottomodello più accurato. Un altro studio descrive come il modello fluviale potrebbe mostrare meglio come e quando diversi settori della società utilizzano le acque superficiali e sotterranee.

Allo stesso tempo, gli scienziati stanno usando il modello attuale per eseguire una serie di esperimenti. Mentre finiscono, rilasceranno i "dati" del modello nell'archivio dati dei risultati del modello della DOE Earth System Grid Federation. Il progetto ha anche reso il suo codice pubblicamente disponibile attraverso il popolare sito web di programmazione GitHub.

Mentre il progetto continua, gli scienziati stanno lavorando per avere uno sguardo più chiaro sul futuro della nostra Terra che mai.

"Tutti questi modelli rappresentano la conoscenza cumulativa che abbiamo acquisito negli ultimi 40 anni, " ha detto Bader. "Ciò ha portato sia a una migliore comprensione e quindi rappresentazione sia dei processi energetici che del sistema Terra. È molto più completo rispetto ai modelli precedenti."