Un gemello digitale del nostro pianeta è quello di simulare il sistema Terra in futuro. Ha lo scopo di supportare i responsabili politici nell'adozione di misure appropriate per prepararsi al meglio agli eventi estremi. Un nuovo documento strategico di scienziati europei e informatici dell'ETH di Zurigo mostra come raggiungere questo obiettivo.

Per diventare climaticamente neutri entro il 2050, l'Unione Europea ha lanciato due ambiziosi programmi:Green Deal e DigitalStrategy. Come componente chiave della loro implementazione di successo, scienziati del clima e informatici hanno lanciato l'iniziativa Destination Earth, che inizierà a metà del 2021 e dovrebbe durare fino a dieci anni. Durante questo periodo, deve essere creato un modello digitale altamente accurato della Terra, un gemello digitale della Terra, mappare lo sviluppo climatico e gli eventi estremi nel modo più accurato possibile nello spazio e nel tempo.

I dati osservativi saranno continuamente incorporati nel gemello digitale al fine di rendere il modello digitale terrestre 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, compresa l'influenza dell'uomo sull'acqua, gestione del cibo e dell'energia, e i processi nel sistema fisico della Terra.

Sistema informativo per il processo decisionale

Il gemello digitale della Terra vuole essere un sistema informativo che sviluppa e testa scenari che mostrano uno sviluppo più sostenibile e quindi informano meglio le politiche. "Se stai progettando una diga alta due metri nei Paesi Bassi, Per esempio, Posso esaminare i dati nel mio gemello digitale e verificare se la diga con ogni probabilità proteggerà ancora dagli eventi estremi previsti nel 2050, "dice Peter Bauer, vicedirettore per la ricerca presso il Centro europeo per le previsioni meteorologiche a medio termine (ECMWF) e co-iniziatore di Destination Earth. Il gemello digitale verrà utilizzato anche per la pianificazione strategica delle forniture di acqua dolce e cibo o di parchi eolici e impianti solari.

Le forze trainanti dietro 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 guidando la scienza del clima e gli aspetti meteorologici del gemello digitale terrestre, ma si affidano anche al know-how di scienziati informatici dell'ETH di Zurigo e del Centro nazionale svizzero di supercalcolo (CSCS), vale a dire i professori dell'ETH Torsten Hoefler, dall'Istituto per i sistemi di calcolo ad alte prestazioni, e Thomas Schulthess, Direttore del CSCS.

Per fare questo grande passo nella rivoluzione digitale, Bauer sottolinea la necessità che le scienze della terra si sposino con le scienze informatiche. In una recente pubblicazione in Scienze computazionali della natura , il team di ricercatori delle scienze della terra e dell'informatica discute quali misure concrete vorrebbero utilizzare per far progredire questa "rivoluzione digitale delle scienze del sistema terrestre, "dove vedono le sfide e quali possibili soluzioni si possono trovare.

Modelli meteorologici e climatici come base

Nella loro carta, i ricercatori guardano indietro allo sviluppo costante dei modelli meteorologici dagli anni '40, una storia di successo che si è svolta in silenzio. I meteorologi hanno aperto la strada, per così dire, simulazioni di processi fisici sui computer più grandi del mondo. Come fisico e informatico, Schulthess del CSCS è quindi convinto che i modelli meteorologici e climatici odierni siano ideali per identificare modi completamente nuovi per molte altre discipline scientifiche su come utilizzare i supercomputer in modo efficiente.

Nel passato, La modellazione meteorologica e climatica ha utilizzato approcci diversi per simulare il sistema Terra. Considerando che i modelli climatici rappresentano un insieme molto ampio di processi fisici, in genere trascurano i processi su piccola scala, quale, però, sono essenziali per le previsioni meteorologiche più precise che a loro volta, concentrarsi su un numero minore di processi. Il gemello digitale riunirà entrambe le aree e consentirà simulazioni ad alta risoluzione che descrivono i complessi processi dell'intero sistema Terra. Ma per raggiungere questo obiettivo, i codici dei programmi di simulazione devono 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 ristagnava dal punto di vista dell'informatica. La ricerca sul clima ha tratto vantaggio dalla possibilità di ottenere prestazioni più elevate grazie alle nuove generazioni di processori senza dover modificare radicalmente il loro programma. Questo aumento gratuito delle prestazioni con ogni nuova generazione di processori si è interrotto circa 10 anni fa. Di conseguenza, i programmi odierni spesso possono utilizzare solo il 5% delle prestazioni di picco 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 contemporaneamente, come CSCS ha dimostrato con successo negli ultimi dieci anni. Suggeriscono di prestare particolare attenzione alle strutture dati generiche, discretizzazione spaziale ottimizzata della griglia da calcolare e ottimizzazione delle lunghezze dei passi 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 del programma più flessibile consentirebbe un passaggio più rapido ed efficiente alle architetture future.

Trarre profitto dall'intelligenza artificiale

Gli autori vedono anche un grande potenziale nell'intelligenza artificiale (AI). Può essere usato, Per esempio, per l'assimilazione dei dati o il trattamento dei dati di osservazione, la rappresentazione di processi fisici incerti nei modelli e la compressione dei dati. L'intelligenza artificiale permette così 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 renda i calcoli più efficienti, ma può anche aiutare a descrivere i processi fisici in modo più accurato.

Gli scienziati vedono il loro documento strategico come un punto di partenza sul percorso verso un gemello digitale della Terra. Tra le architetture informatiche oggi disponibili 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 su vasta scala richiederebbe un sistema con circa 20, 000 GPU, consumando una potenza stimata di 20 MW. Per ragioni sia economiche che ecologiche, tale computer dovrebbe essere utilizzato in un luogo in cui la CO ₂ - l'elettricità generata neutra è disponibile in quantità sufficienti.