In teoria, il ciclo dell’acqua sembra semplice, ma l’impatto umano, il cambiamento climatico e la geografia complicata fanno sì che, in pratica, inondazioni e siccità siano difficili da prevedere. Per modellare l’acqua sulla Terra, sono necessari dati ad altissima risoluzione su un’immensa distesa e una modellazione sufficientemente sofisticata da tenere conto di tutto, dai manti nevosi sulle montagne all’umidità del suolo nelle valli. Ora, gli scienziati hanno fatto un enorme passo avanti costruendo i modelli più dettagliati creati fino ad oggi.
"La simulazione della Terra ad alta risoluzione è molto complessa, quindi sostanzialmente l'idea è quella di concentrarsi prima su un obiettivo specifico", ha affermato il dottor Luca Brocca del Consiglio nazionale delle ricerche italiano, autore principale dell'articolo pubblicato su Frontiers. in Scienze . "Questa è l'idea alla base di ciò che abbiamo sviluppato:casi di studio sui gemelli digitali per il ciclo dell'acqua terrestre nel bacino del Mediterraneo. Il nostro obiettivo è creare un sistema che consenta ai non esperti, inclusi decisori e cittadini, di eseguire simulazioni interattive."
In ingegneria, un gemello digitale è un modello virtuale di un oggetto fisico che può essere testato fino alla distruzione senza causare danni reali. Un gemello digitale della Terra, costantemente aggiornato con nuovi dati, ci consentirebbe di simulare gli scenari migliori e peggiori, valutare i rischi e monitorare lo sviluppo di condizioni pericolose prima che si verifichino. Tali informazioni sono vitali per lo sviluppo sostenibile e la protezione delle popolazioni vulnerabili.
Per costruire i loro modelli di gemelli digitali, Brocca e i suoi colleghi hanno sfruttato straordinari volumi di dati satellitari, combinando nuovi dati di osservazione della Terra che misurano l’umidità del suolo, le precipitazioni, l’evaporazione, la portata dei fiumi e la profondità della neve. Questi nuovi dati disponibili, cruciali per lo sviluppo dei modelli, includono misurazioni effettuate molto più frequentemente nello spazio e nel tempo:fino a una volta al chilometro e una volta all'ora.
Come uno schermo con più pixel, questi dati ad alta risoluzione creano un'immagine più dettagliata. Gli scienziati hanno utilizzato questi dati per sviluppare la loro modellazione e poi hanno integrato la modellazione in una piattaforma basata su cloud che può essere utilizzata per simulazioni e visualizzazioni. Questo è l'obiettivo finale:uno strumento interattivo che chiunque possa utilizzare per mappare rischi come inondazioni e frane e gestire le risorse idriche.
"Questo progetto è un perfetto esempio della sinergia tra missioni satellitari all'avanguardia e la comunità scientifica", ha affermato Brocca. "Collaborazioni come questa, insieme agli investimenti nelle infrastrutture computazionali, saranno cruciali per gestire gli effetti del cambiamento climatico e di altri impatti umani."
Gli scienziati hanno iniziato modellando la valle del fiume Po, per poi espandere il gemello digitale ad altre parti del bacino del Mediterraneo. I prossimi progetti prevedono di espandersi per coprire tutta l'Europa e le future collaborazioni consentiranno di applicare gli stessi principi in tutto il mondo.
"La storia è iniziata con un'iniziativa dell'Agenzia spaziale europea", ha detto Brocca. "Ho detto che dovremmo partire da qualcosa che conosciamo molto bene. La valle del Po è molto complessa:abbiamo le Alpi, abbiamo la neve, che è difficile da simulare, soprattutto in terreni irregolari e complessi come le montagne. Poi c'è la valle con tutte le attività umane—industria, irrigazione. Poi abbiamo un fiume ed eventi estremi—inondazioni, siccità. E poi ci siamo spostati nel Mediterraneo, che è un buon posto per indagare sugli eventi estremi sia per la troppa che per la troppo poca acqua."
Il principale caso d'uso della piattaforma è migliorare la previsione di inondazioni e frane e ottimizzare la gestione delle risorse idriche. Per far sì che tutto ciò funzioni meglio a livello più locale, saranno necessari dati più granulari e una modellizzazione più sofisticata. Ad esempio, per massimizzare il potenziale di un gemello digitale per l'agricoltura, la risoluzione dei dati dovrebbe essere misurata in decine di metri, non in centinaia.
Incognite note
Persistono ulteriori sfide. Questi includono ritardi nel trasferimento dei dati satellitari al modello, la necessità di più osservazioni a terra per convalidare i dati satellitari e la crescente complessità degli algoritmi necessari per gestire i dati.
Inoltre, nessun modello è perfetto e i dati satellitari possono contenere errori:le incertezze devono essere adeguatamente caratterizzate in modo che gli utenti abbiano un quadro accurato dell'affidabilità del modello. Secondo Brocca, l'intelligenza artificiale e l'apprendimento automatico avranno un ruolo fondamentale nel superare queste sfide, migliorando l'analisi, la raccolta e la velocità di elaborazione dei dati e semplificando la valutazione della qualità dei dati.
"Gli sforzi collaborativi di scienziati, agenzie spaziali e decisori promettono un futuro in cui le Terre Gemelle Digitali per l'idrologia forniranno informazioni preziose per la gestione sostenibile delle risorse idriche e la resilienza ai disastri", ha concluso Brocca.
Ulteriori informazioni: Un gemello digitale del ciclo dell'acqua terrestre:uno sguardo al futuro attraverso le osservazioni della Terra ad alta risoluzione, Frontiere della scienza (2024). DOI:10.3389/fsci.2023.1190191
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