Il primo modello di sistema terrestre sviluppato e basato in Africa sta creando una delle modulazioni più affidabili e dettagliate del cambiamento climatico.

Cosa serve per ricreare la Terra? Un paio di migliaia di righe di codice, inserire alcuni dati da tutte le stazioni meteorologiche del mondo, e un supercomputer.

Aggiungi a questo mix uno sviluppatore specializzato in modelli climatici come il professor Francois Engelbrecht del Wits Global Change Institute e avrai il primo modello del sistema terrestre sviluppato e basato in Africa, che è quello di contribuire alla fase sei del progetto di intercomparazione del modello accoppiato del Programma mondiale di ricerca sul clima (CMIP6).

Engelbrecht, che è entrato a far parte di Wits nel gennaio 2019 dopo aver lavorato presso il Council for Scientific and Industrial Research (CSIR) per un decennio, sta lavorando per costruire un modello matematico della Terra, compreso tutto l'atmosfera, oceanico, i processi del suolo e del ciclo del carbonio e le loro interazioni, per poter proiettare gli impatti dei futuri cambiamenti climatici in Africa e nel mondo. A tal fine, sta lavorando in stretta collaborazione con scienziati della Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO) in Australia, il CSIR in Sud Africa, l'Università di Città del Capo (UCT) e l'Università di Venda.

"La programmazione fa parte della mia vita. Codifico ogni giorno, "dice Engelbrecht, che è uno dei pochi sviluppatori di modelli climatici in circolazione.

Come costruire un modello di sistema terrestre

Costruire un modello del sistema terrestre non è un compito semplice. Per fare questo, Engelbrecht ha bisogno di elaborare i dati da 50 strati dell'atmosfera terrestre, che è profondo circa 50 km; l'oceano dalla sua superficie al fondo, diviso in 30 strati e il terreno, diviso in sei strati per simulare l'umidità e la temperatura del suolo.

Un modello del sistema terrestre fornisce un campionamento numerico di tutti i processi fisici che si verificano nel sistema tridimensionale accoppiato oceano-atmosfera-terra. Ha anche bisogno di includere l'oceano e la chimica atmosferica, compresi gli effetti che il ciclo del carbonio ha sul sistema climatico.

"Sia l'oceano che la terra sono grandi pozzi (assorbitori) di carbonio. Ci sono anche processi naturali che rilasciano anidride carbonica nell'atmosfera. Dobbiamo vedere come funzionano questi processi e modellare come il ciclo del carbonio avrà un impatto sul clima in futuro in la presenza di un aumento delle emissioni di anidride carbonica derivanti dalla nostra dipendenza dai combustibili fossili per l'energia, "dice Engelbrecht.

Un modello del sistema terrestre si basa su una serie di equazioni matematiche che descrivono come la Terra cambia nel tempo al variare della forzatura radiativa (ad esempio, concentrazioni crescenti di anidride carbonica). Questo è, quando le leggi della fisica vengono applicate all'atmosfera, si ottiene un insieme di equazioni differenziali alle derivate parziali. Queste equazioni possono essere risolte numericamente per ottenere un'immagine del nostro clima futuro.

"Nel momento in cui lavori con questi tipi di dati e matematica numerica, hai bisogno di un supercomputer per elaborarlo, "dice Engelbrecht.

"Il modello matematico scompone l'atmosfera in diversi strati, e la Terra in punti della griglia orizzontale. Più grande è il computer, più punti della griglia puoi aggiungere, che rende il modello più accurato."

Accedere alla potenza dei supercomputer

Engelbrecht solo negli ultimi anni ha ottenuto l'accesso a un supercomputer con una potenza di elaborazione sufficiente per intraprendere queste simulazioni computazionalmente costose ed elaborare l'enorme quantità di dati. Questo è il cluster Lengau del Center of High-Performance Computing (CHPC) del Dipartimento di Scienza e Tecnologia con sede a Rosebank, Città del Capo. Una singola simulazione climatica richiede l'uso di centinaia o migliaia di processori nel cluster, applicati in parallelo per risolvere le complesse equazioni del sistema Terra.

Anche sui supercomputer più veloci del mondo, la risoluzione spaziale dei modelli del sistema terrestre rimane limitata a circa 100 km in orizzontale. In un recente sviluppo, Engelbrecht e i suoi colleghi si stanno muovendo anche nel mondo dell'intelligenza artificiale, utilizzare algoritmi appositamente progettati in grado di rappresentare i dettagli più fini del sistema a scale spaziali non direttamente risolte dal modello del sistema terrestre.

"Tradizionalmente la rappresentazione dei processi su larga scala nei modelli del sistema terrestre si basava su statistiche convenzionali informate da osservazioni sul campo di come i processi su scala fine si collegassero alle caratteristiche del flusso su larga scala dell'oceano e dell'atmosfera. quindi relazioni più realistiche da formulare tra le caratteristiche di flusso su scala fine e su scala più ampia nel sistema climatico, "Afferma Engelbrecht.

Engelbrecht, che ha fatto il suo dottorato di ricerca in meteorologia numerica presso l'Università di Pretoria guida lo sviluppo del modello oceanico globale applicato all'interno del modello del sistema terrestre. Il CSIRO fornisce al sistema sofisticati modelli globali atmosferici e terrestri, mentre il CSIR sta fornendo e sviluppando il modello del ciclo del carbonio e la chimica atmosferica applicati all'interno del Modello del Sistema Terra.

Per descrivere uno stato iniziale dell'oceano e dell'atmosfera al Modello del Sistema Terra, Engelbrecht e i suoi colleghi utilizzano le informazioni delle stazioni meteorologiche di tutto il mondo, che viene compilato e condiviso attraverso l'Organizzazione meteorologica mondiale.

Engelbrecht sottolinea che la comprensione del clima e del ciclo del carbonio dell'Oceano Antartico e delle dinamiche del ghiaccio marino e delle calotte glaciali dell'Antartico è fondamentale per la proiezione affidabile del futuro cambiamento climatico.

"L'Oceano Antartico è un enorme pozzo di carbonio, e noi (Sud Africa, attraverso il Southern Ocean Carbon and Climate Observatory (SOCCO) del CSIR), avere le migliori conoscenze al mondo sulla chimica e la fisica dell'Oceano Antartico, che rende il nostro modello del sistema terrestre incredibilmente rilevante per il resto del mondo, " afferma Engelbrecht. "Il nostro modello è costruito attraverso la lente dei processi climatici dell'Oceano Australe e africano." SOCCO del CSIR e l'Istituto di scienze marine dell'UCT sono quindi partner importanti nello sviluppo del modello del sistema terrestre.

"Un progetto della National Research Foundation Earth System Science Research Program (ESSRP) sta fornendo un importante impulso iniziale a questa collaborazione, "dice Engelbrecht.

Costruire un modello di sistema terrestre è un compito completamente interdisciplinare, coinvolgendo esperti di diversi settori, compresi i climatologi, oceanografi, ecologisti, matematici, fisici, chimici e informatici. Engelbrecht intende attirare sempre più esperti in tutti questi campi per lavorare insieme nella costruzione e nel miglioramento del modello del sistema terrestre basato sull'Africa.

"Uno dei motivi per cui sono venuto a Wits è stato quello di esporre il processo di sviluppo del modello del sistema terrestre a colleghi che hanno competenze di primo piano in oceanografia, climatologia, matematica numerica, calcolo ad alte prestazioni e intelligenza artificiale in modo da poter collaborare e contribuire congiuntamente a questo campo veramente multidisciplinare. Abbiamo già riunito presso il GCI e le Wits Schools di GAES e APES un forte gruppo di studenti post-laurea che avranno l'opportunità di lavorare in questo entusiasmante campo multidisciplinare, mentre contribuiscono con il loro nuovo pensiero al Modello del Sistema Terra, " lui dice.

"Stiamo creando una delle modulazioni più affidabili e dettagliate del cambiamento climatico per l'Africa. Se possiamo proiettare in modo affidabile i nostri probabili futuri del cambiamento climatico in Africa, quindi possiamo stimare i rischi per aspetti come la sicurezza idrica, agricoltura, biodiversità, e salute umana, e intraprendere azioni tempestive attraverso progetti di adattamento e mitigazione dei cambiamenti climatici".