La Terra supporta una gamma mozzafiato di aree geografiche, ecosistemi e ambienti, ognuno dei quali ospita una serie altrettanto impressionante di modelli ed eventi meteorologici. Il clima è un aggregato di tutti questi eventi mediati su un arco di tempo specifico per una particolare regione. Guardando il quadro generale, Il clima della Terra ha appena concluso il decennio con una nota positiva, anche se non il tipo che si potrebbe celebrare.

A gennaio, diverse importanti agenzie scientifiche statunitensi ed europee hanno segnalato il 2019 come il secondo anno più caldo mai registrato, chiudendo il decennio più caldo. Luglio è diventato il mese più caldo mai registrato.

Utilizzando nuovi modelli ad alta risoluzione sviluppati dall'Ufficio delle scienze del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti (DOE), i ricercatori stanno cercando di prevedere questo tipo di tendenze per il prossimo futuro e nel prossimo secolo; sperando di fornire la base scientifica per aiutare a mitigare gli effetti del clima estremo sull'energia, infrastrutture e agricoltura, tra gli altri servizi essenziali necessari per far progredire la civiltà.

Sette laboratori nazionali DOE, compreso il Laboratorio Nazionale Argonne, fanno parte di una collaborazione più ampia che lavora per far avanzare una versione ad alta risoluzione dell'Energy Exascale Earth System Model (E3SM). Le simulazioni che hanno sviluppato possono catturare le dinamiche più dettagliate del comportamento che genera il clima, dal trasporto di calore attraverso i vortici oceanici - avvezione - alla formazione di tempeste nell'atmosfera.

"E3SM è un modello di sistema terrestre progettato per simulare come le combinazioni di temperatura, venti, modelli di precipitazione, le correnti oceaniche e il tipo di superficie terrestre possono influenzare il clima regionale e costruire infrastrutture a livello locale, scala regionale e globale, " spiega Robert Jacob, Responsabile dell'E3SM di Argonne e scienziato del clima nella sua divisione di Scienze ambientali. "Ma ancora più importante, essere in grado di prevedere come i cambiamenti climatici e il ciclo dell'acqua rispondono all'aumento dell'anidride carbonica (CO ₂ ) è estremamente importante nella pianificazione del nostro futuro."

"Il cambiamento climatico può anche avere grandi impatti sul nostro bisogno e sulla nostra capacità di produrre energia, gestire gli approvvigionamenti idrici e anticipare gli impatti sull'agricoltura", aggiunge, "quindi il DOE vuole un modello di previsione in grado di descrivere i cambiamenti climatici con dettagli sufficienti per aiutare i decisori".

Le strutture lungo le nostre coste sono vulnerabili all'innalzamento del livello del mare causato, in parte, dal rapido scioglimento dei ghiacciai, e molte interruzioni di energia sono il risultato di condizioni meteorologiche estreme e delle condizioni precarie che possono creare. Per esempio, Le piogge storicamente abbondanti del 2019 hanno causato inondazioni dannose negli stati centrali e meridionali, e caldo, condizioni di siccità in Alaska e California hanno provocato enormi incendi.

E poi c'è l'Australia.

Per capire come tutti i componenti della Terra lavorano in tandem per creare queste condizioni selvagge e varie, E3SM divide il mondo in migliaia di celle di griglia interdipendenti:86, 400 per l'atmosfera per l'esattezza. Questi rappresentano la maggior parte delle principali caratteristiche terrestri dal "fondo dell'oceano a quasi la parte superiore dell'atmosfera, " hanno scritto i membri della collaborazione in un recente articolo pubblicato sul Journal of Advances in Modeling Earth Systems.

"Il globo è modellato come un gruppo di celle con 25 chilometri tra i centri della griglia orizzontalmente o con una risoluzione di un quarto di grado di latitudine, "dice Azamat Mametjanov, un ingegnere delle prestazioni delle applicazioni nella divisione Matematica e Informatica di Argonne. "Storicamente, la risoluzione spaziale è stata molto più grossolana, ad un grado o circa 100 chilometri. Quindi abbiamo aumentato la risoluzione di un fattore quattro in ciascuna direzione. Stiamo iniziando a risolvere meglio i fenomeni che preoccupano maggiormente le industrie energetiche:le condizioni meteorologiche estreme".

I ricercatori ritengono che le capacità a risoluzione più elevata di E3SM consentiranno ai ricercatori di risolvere caratteristiche geofisiche come uragani e manto nevoso di montagna che si rivelano meno chiare in altri modelli. Uno dei maggiori miglioramenti al modello E3SM è stata la temperatura superficiale del mare e il ghiaccio marino nell'Oceano Atlantico settentrionale, nello specifico, il mare del Labrador, che richiedeva una contabilizzazione accurata del flusso d'aria e d'acqua.

"Questa è un'importante regione oceanica in cui i modelli a bassa risoluzione tendono a rappresentare troppa copertura di ghiaccio marino, " Jacob spiega. "Questo ghiaccio marino aggiuntivo raffredda l'atmosfera sopra di esso e degrada le nostre previsioni in quell'area e anche a valle".

L'aumento della risoluzione ha anche aiutato a risolvere le correnti oceaniche in modo più accurato, che ha contribuito a far corrispondere le condizioni del Mare del Labrador con le osservazioni dei satelliti e delle navi, oltre a fare previsioni migliori sulla Corrente del Golfo.

Altra caratteristica distintiva del modello, dice Mametjanov, è la sua capacità di durare per più decenni. Sebbene molti modelli possano funzionare a una risoluzione ancora più elevata, possono durare solo da cinque a 10 anni al massimo. Poiché utilizza i supercomputer DOE ultraveloci, il modello E3SM da 25 km ha corso 50 anni.

Infine, la squadra vuole correre 100 anni alla volta, interessato principalmente al clima intorno al 2100, che è una data di fine standard utilizzata per le simulazioni del clima futuro.

Risoluzione più elevata e sequenze temporali più lunghe a parte, l'esecuzione di un tale modello non è priva di difficoltà. È un processo molto complesso.

Per ciascuno degli 86, 400 celle legate all'atmosfera, i ricercatori eseguono decine di operazioni algebriche che corrispondono ad alcuni processi meteorologici, come calcolare la velocità del vento, pressione atmosferica, temperatura, l'umidità o la quantità di riscaldamento localizzato fornita dalla luce solare e dalla condensa, per citarne solo alcuni.

"E poi dobbiamo farlo migliaia di volte al giorno, " dice Jacob. "L'aggiunta di più risoluzione rende il calcolo più lento; rende più difficile trovare il tempo del computer per eseguirlo e controllare i risultati. La simulazione di 50 anni che abbiamo esaminato in questo documento ha richiesto circa un anno in tempo reale per essere eseguita".

Un'altra dinamica per la quale i ricercatori devono adeguare il proprio modello si chiama forzatura, che si riferisce principalmente ai driver naturali e antropici che possono stabilizzare o spingere il clima in direzioni diverse. La principale forzante sul sistema climatico è il sole, che rimane relativamente costante, nota Giacobbe. Ma per tutto il XX secolo, ci sono stati aumenti di altri fattori esterni, come CO ₂ e una varietà di aerosol, dagli spruzzi di mare al vulcanico.

Per questa prima simulazione, il team non stava tanto sondando un periodo di tempo specifico quanto lavorando sulla stabilità del modello, così hanno scelto una forzatura che rappresenta le condizioni durante gli anni '50. La data era un compromesso tra le condizioni preindustriali utilizzate nelle simulazioni a bassa risoluzione e l'inizio delle più drammatiche emissioni di gas serra antropogeniche e del riscaldamento che sarebbero arrivati ​​al culmine in questo secolo.

Infine, il modello integrerà gli attuali valori di forzatura per aiutare gli scienziati a comprendere ulteriormente come cambierà il sistema climatico globale all'aumentare di tali valori, dice Giacobbe.

"Mentre abbiamo un po' di comprensione, abbiamo davvero bisogno di più informazioni, così come il pubblico e i produttori di energia, in modo da poter vedere cosa accadrà su scala regionale, " aggiunge. "E per rispondere a questo, hai bisogno di modelli con più risoluzione."

Uno degli obiettivi generali del progetto è stato quello di migliorare le prestazioni dell'E3SM su supercomputer DOE come Theta dell'Argonne Leadership Computing Facility, che si è rivelato il cavallo di battaglia principale per il progetto. Ma poiché le architetture dei computer cambiano con un occhio verso l'exascale computing, i prossimi passi per il progetto includono il porting dei modelli su GPU.

"Con l'aumentare della risoluzione utilizzando macchine exascale, sarà possibile utilizzare E3SM per risolvere siccità e tendenze degli uragani, che si sviluppano in più anni, "dice Mametjanov.

"I modelli meteorologici possono risolvere alcuni di questi problemi, ma al massimo per circa 10 giorni. Quindi c'è ancora un divario tra i modelli meteorologici e i modelli climatici e, utilizzando E3SM, stiamo cercando di colmare questo divario".

L'articolo della collaborazione E3SM, "Il modello accoppiato DOE E3SM versione 1:descrizione e risultati ad alta risoluzione, " apparso nel numero di dicembre 2019 del Journal of Advances in Modeling Earth Systems.