Le regioni costiere artiche della Terra in rapido cambiamento hanno un effetto climatico fuori misura che riecheggia in tutto il mondo. Tracciare i processi alla base di questa evoluzione è un compito arduo anche per i migliori scienziati.

Le coste sono alcune delle aree più dinamiche del pianeta, luoghi in cui marine, terrestre, le azioni atmosferiche e umane si incontrano. Ma le regioni costiere artiche affrontano i problemi più preoccupanti dovuti ai cambiamenti climatici causati dall'uomo dall'aumento delle emissioni di gas serra, dice lo scienziato del Los Alamos National Laboratory (LANL) Andrew Roberts.

"I sistemi costieri artici sono molto fragili, "dice Roberto, che guida l'elemento dei sistemi di calcolo ad alte prestazioni di un più ampio sforzo dell'Office of Science del Department of Energy (DOE), guidato dal suo ufficio di ricerca biologica e ambientale (BER), per simulare le mutevoli condizioni della costa artica. "Fino agli ultimi decenni, di spessore, il ghiaccio marino artico perenne sembra essere stato generalmente stabile. Ora, le temperature di riscaldamento stanno causando lo scioglimento".

Negli anni '80, il ghiaccio pluriennale di almeno quattro anni ha rappresentato oltre il 30 percento della copertura artica; che si è ridotto a non molto più dell'1 per cento oggi. Mentre quella banchisa perenne circola intorno all'Artico, un altro tipo noto come ghiaccio terrestre, ancorato a una costa o al fondo dell'oceano, agendo come un'estensione di terra galleggiante, si sta allontanando verso la costa a causa dell'aumento delle temperature.

Ciò espone le regioni costiere a onde dannose che possono disperdere il ghiaccio ed erodere il permafrost costiero, dice Roberts.

I ricercatori hanno dimostrato che l'estensione del ghiaccio marino artico a settembre sta diminuendo di circa il 13% ogni decennio, poiché l'Artico si riscalda più del doppio rispetto al resto del pianeta, ciò che gli scienziati chiamano "amplificazione artica".

I cambiamenti nello scioglimento del ghiaccio marino artico e del ghiaccio terrestre possono interrompere il cosiddetto nastro trasportatore oceanico globale che fa circolare l'acqua intorno al pianeta e aiuta a stabilizzare il clima, rapporti di Roberts. Il ruscello si muove freddo, denso, acqua salata dai poli agli oceani tropicali, che mandano in cambio acqua calda.

L'Artico è ora bloccato in un ciclo di feedback paralizzante:il ghiaccio marino può riflettere l'80% o più della luce solare nello spazio, ma il suo inesorabile declino provoca aree di oscurità sempre più grandi, oceano aperto per prendere il suo posto in estate e assorbire più del 90 percento della luce solare di mezzogiorno, portando a un maggiore riscaldamento.

Roberts e i suoi colleghi spiegano come la riduzione del ghiaccio artico e l'aumento delle temperature artiche influenzino le inondazioni, biogeochimica marina, spedizione, estrazione di risorse naturali e perdita di habitat della fauna selvatica. Il team valuta anche gli effetti del cambiamento climatico sulle comunità tradizionali, dove il riscaldamento antropico colpisce i modelli meteorologici e danneggia i terreni di caccia e le infrastrutture come edifici e strade.

Il permafrost artico, il terreno ghiacciato, si sta rapidamente scongelando a causa del riscaldamento climatico. Alcuni scienziati prevedono che circa 2,5 milioni di miglia quadrate di questo suolo, circa il 40% del totale mondiale, potrebbero scomparire entro la fine del secolo e rilasciare enormi quantità di potenti gas serra, compreso il metano, anidride carbonica e vapore acqueo.

Il progetto di ricerca globale, la ricerca interdisciplinare per gli ambienti costieri artici sponsorizzata dal BER (InterFACE), guidato da Joel Rowland, anche da LANL, ed è una collaborazione multi-istituzionale che include altri laboratori nazionali e università. Roberts ha supervisionato gli aspetti computazionali del progetto DOE che hanno beneficiato di 650, 000 ore nodo di tempo di supercalcolo nel 2020 presso il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) presso il Lawrence Berkeley National Laboratory.

I calcoli della costa artica hanno utilizzato Cori del NERSC, un sistema Cray XC40 con 700, 000 core di elaborazione in grado di eseguire 30mila trilioni di operazioni in virgola mobile al secondo.

I ricercatori della LANL, con i colleghi di molti altri laboratori nazionali, hanno fatto affidamento e contribuito allo sviluppo di un sofisticato strumento di ricerca supportato dal DOE chiamato Energy Exascale Earth System Model (E3SM), consentendo loro di utilizzare la simulazione del supercomputer e la gestione dei dati per comprendere meglio i cambiamenti nei sistemi costieri dell'Artico. Le attività di InterFACE contribuiscono allo sviluppo di E3SM e beneficiano del suo sviluppo più ampio.

E3SM ritrae l'atmosfera, oceano, terra e ghiaccio marino, compresi i cambiamenti di massa ed energia tra di loro, in alta risoluzione, modelli tridimensionali, concentrando la potenza di calcolo di Cori su piccole regioni di grande interesse. Gli scienziati hanno creato maglie a griglia di celle triangolari nei componenti del ghiaccio marino e dell'oceano di E3SM per riprodurre le coste della regione con alta fedeltà.

"Una delle grandi domande è quando lo scioglimento del ghiaccio marino renderà l'Oceano Artico navigabile tutto l'anno, " dice Roberts. Sebbene le navi governative e commerciali, anche le navi da crociera, siano state in grado di manovrare attraverso il Passaggio a Nord Ovest nell'Arcipelago canadese nelle ultime estati, entro il 2030 la regione potrebbe essere regolarmente navigabile per molti mesi all'anno se lo scioglimento del ghiaccio marino continua rapidamente, lui dice.

Lo sviluppo di E3SM aiuterà i ricercatori a capire meglio quanto sia navigabile il Passaggio a Nord Ovest rispetto alle tradizionali maglie rettangolari utilizzate in molti modelli climatici a bassa risoluzione, Note di Roberts.

E3SM offre una risoluzione su scala meteorologica, ovvero abbastanza dettagliato da catturare i fronti, tempeste, e uragani e utilizza computer avanzati per simulare aspetti della variabilità della Terra. Il codice aiuta i ricercatori ad anticipare i cambiamenti su scala decennale che potrebbero influenzare il settore energetico degli Stati Uniti negli anni a venire.

"Se avessimo la potenza di calcolo, vorremmo avere simulazioni ad alta risoluzione ovunque nel mondo, " dice. "Ma è incredibilmente costoso da intraprendere."

Ethan Coon, uno scienziato dell'Oak Ridge National Laboratory e co-investigatore di un progetto correlato, supportato dalla Leadership Computing Challenge (ALCC) del programma DOE Advanced Scientific Computing Research (ASCR), afferma che il riscaldamento della terra dell'estremo nord "sta trasformando il ciclo idrologico dell'Artico, e stiamo assistendo a cambiamenti significativi nello scarico di fiumi e torrenti." Il programma ALCC assegna il tempo del supercomputer per i progetti DOE che enfatizzano l'alto rischio, simulazioni ad alto rendimento e che hanno ampliato la comunità di ricerca.

Procione, un alunno della borsa di studio per laureati in scienze computazionali DOE, dice che il riscaldamento sta alterando i percorsi di fiumi e torrenti. Mentre lo scongelamento del permafrost scende più in basso sotto la superficie, l'acqua freatica scorre più in profondità nel sottosuolo e rimane più fredda mentre scorre nei corsi d'acqua, influenzando potenzialmente i pesci e altri animali selvatici.

Ciò che accade sulla terraferma ha un grande impatto sull'oceano, Roberts è d'accordo. Finalmente, lui dice, "abbiamo finalmente la capacità di perfezionare davvero le regioni costiere e simulare i loro processi fisici".