Un gemello digitale della Terra ad alta precisione

L'Unione europea ha lanciato due programmi ambiziosi per raggiungere l'impatto climatico zero entro il 2050: "pagina esternaOfferta verde" e "pagina esternaStrategia digitale". Come componente chiave per un'implementazione di successo, scienziati del clima e informatici hanno sviluppato l'iniziativa "Un gemello digitale della Terra".pagina esternaDestinazione TerraIl programma "Supercomputing" inizierà a metà di quest'anno e durerà fino a dieci anni. Durante questo periodo, verrà creato un modello digitale di alta precisione della Terra, un gemello digitale della Terra, al fine di mappare lo sviluppo del clima e gli eventi estremi nel miglior modo possibile sia spazialmente che temporalmente.

I dati di osservazione saranno continuamente immessi nel gemello digitale al fine di perfezionare costantemente il modello terrestre digitale per monitorare lo sviluppo e prevedere le possibili traiettorie future (percorsi di sviluppo). Oltre ai dati di osservazione tradizionalmente utilizzati per le simulazioni meteorologiche e climatiche, i ricercatori vogliono integrare nel modello nuovi dati provenienti dalle attività umane, anch'essi rilevanti per il sistema climatico, in modo che il "Modello del Sistema Terra" virtuale rappresenti l'intero pianeta.Earth System Model" rappresenti nel modo più realistico possibile l'insieme dei processi sulla superficie terrestre, l'influenza dell'uomo in relazione alla gestione dell'acqua, del cibo e dell'energia, compresi i processi del sistema fisico terrestre.

Sistema informativo per il processo decisionale

Il gemello digitale della Terra è destinato a creare un sistema informativo che sviluppi e testi scenari che dimostrino uno sviluppo più sostenibile e quindi informino meglio le politiche. "Se si progetta una diga alta due metri in Olanda, ad esempio, posso consultare i dati del mio gemello digitale e verificare se la diga è in grado di proteggere dagli eventi estremi previsti per il 2050", spiega Peter Bauer, vicedirettore della ricerca del Politecnico di Zurigo. pagina esternaCentro europeo per le previsioni meteorologiche a medio raggio (ECMWF) e co-iniziatore di Destination Earth. Il gemello digitale sarà utilizzato anche per la pianificazione strategica delle forniture di acqua dolce e di cibo o per i parchi eolici e gli impianti solari.

Le forze trainanti di "Destination Earth" sono l'ECMWF, l'Agenzia Spaziale Europea e il Politecnico di Zurigo. pagina esternaAgenzia Spaziale Europea (ESA), e il pagina esternaOrganizzazione europea per lo sfruttamento dei satelliti meteorologici (EUMETSAT). Insieme ad altri scienziati del clima, Bauer sta portando avanti gli aspetti climatici e meteorologici del gemello digitale della Terra. Gli esperti si affidano all'esperienza degli informatici dell'ETH di Zurigo e dell'Istituto di ricerca sulla Terra. pagina esternaCentro nazionale di supercalcolo della Svizzera (CSCS), vale a dire l'ETH Torsten Hoefler, dalla Istituto per i sistemi di calcolo ad alte prestazioni e Thomas Schulthess, direttore del CSCS.

Umwelt und Geomatik sottolinea che questo passo importante nella rivoluzione digitale richiede il connubio tra Scienze Terrestri e Informatica. In una recente pubblicazione su Nature Computational Science, il team di ricercatori delle scienze della Terra e dell'informatica discute le misure specifiche che vorrebbero adottare per far progredire questa "rivoluzione digitale nelle scienze del sistema Terra", dove vedono le sfide e dove possono essere trovate le possibili soluzioni.

Modelli meteorologici e climatici come base

Nella pubblicazione si ripercorre il costante sviluppo dei modelli meteorologici a partire dagli anni '40 - una storia di successo che si è svolta in silenzio. I meteorologi sono stati i pionieri della simulazione dei processi fisici sui computer mainframe, per così dire. In quanto fisico e informatico, Schulthess è quindi convinto che gli attuali modelli meteorologici e climatici siano ideali per mostrare ad altre discipline scientifiche modi completamente nuovi di utilizzare i supercomputer in modo efficiente.

In passato, nella modellazione meteorologica e climatica sono stati utilizzati approcci diversi per simulare il sistema Terra. Mentre i modelli climatici rappresentano una gamma molto ampia di processi fisici, in genere trascurano i processi su piccola scala che sono essenziali per le previsioni meteorologiche, che si concentrano su un numero minore di processi. Il gemello digitale riunirà entrambe le aree e consentirà simulazioni ad alta risoluzione che mapperanno i complessi processi del sistema Terra. Tuttavia, secondo gli scienziati, per raggiungere questo obiettivo, i codici dei programmi di simulazione devono essere adattati alle nuove tecnologie, che promettono una potenza di calcolo notevolmente superiore.

Poiché lo sviluppo di codici è rimasto fermo per decenni dal punto di vista dell'informatica, con i computer e gli algoritmi oggi decisi è difficile effettuare simulazioni altamente complesse alla risoluzione estremamente elevata di un chilometro. La ricerca sul clima ha beneficiato della possibilità di ottenere maggiori prestazioni grazie alle nuove generazioni di processori senza dover modificare radicalmente i programmi. Questo aumento di prestazioni gratuito con ogni nuova generazione di processori si è arrestato circa 10 anni fa. Il risultato è che oggi i programmi possono spesso utilizzare solo il 5% delle prestazioni dei processori convenzionali (CPU).

Per ottenere i miglioramenti necessari, gli autori sottolineano la necessità della co-progettazione, ossia dello sviluppo congiunto e simultaneo di hardware e algoritmi, come dimostrato con successo dal CSCS negli ultimi dieci anni. Suggeriscono di prestare particolare attenzione alle strutture dati generiche, alla discretizzazione spaziale ottimizzata della griglia da calcolare e all'ottimizzazione della lunghezza dei passi temporali. Inoltre, gli scienziati suggeriscono di separare i codici per la soluzione del problema scientifico dai codici che ottimizzano il calcolo sulla rispettiva architettura di sistema. Questa struttura di programma più flessibile consentirebbe un passaggio più rapido ed efficiente alle architetture future.

Beneficiare dell'intelligenza artificiale

Gli autori vedono anche un grande potenziale nell'intelligenza artificiale (AI). Può essere utilizzata, ad esempio, per l'assimilazione dei dati o l'elaborazione dei dati di osservazione e per la visualizzazione dei processi fisici incerti nei modelli o per la compressione dei dati. L'intelligenza artificiale consente quindi di accelerare le simulazioni e di filtrare le informazioni più importanti da grandi quantità di dati. I ricercatori ritengono che l'uso dell'apprendimento automatico non solo renda i calcoli più efficienti, ma possa anche descrivere meglio i processi fisici.

Gli scienziati considerano il loro documento strategico come il punto di partenza per il percorso verso un gemello digitale della Terra. Tra le architetture informatiche decise oggi e nel prossimo futuro, individuano nei supercomputer basati su unità di elaborazione grafica (GPU) l'opzione più promettente. Si stima che il funzionamento di un gemello digitale in scala reale richieda un sistema con circa 20.000 GPU, che richiede una potenza stimata in 20 MW. Per ragioni sia economiche che ambientali, un computer di questo tipo dovrebbe essere gestito in un luogo in cui le emissioni di CO₂-Il Politecnico di Zurigo si impegna a garantire la decisione di generare una quantità sufficiente di elettricità in modo neutrale.