Riscaldamento globale: una Terra digitale per simularlo

Un gemello digitale del nostro pianeta è stato progettato per simulare il sistema climatico della Terra e come si evolverà nel futuro. Sarà quindi uno strumento per supportare i politici nell’adozione delle misure più appropriate per prepararsi al meglio agli eventi estremi.

Riscaldamento globale: obbiettivo 2050

Per diventare neutrale dal punto del riscaldamento globale entro il 2050, l’Unione Europea ha lanciato due ambiziosi programmi: il “Green Deal” e il “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 per altri dieci anni. Durante questo periodo, verrà creato un modello digitale altamente accurato della Terra. Un vero e proprio gemello digitale del nostro pianeta, per mappare lo sviluppo del clima e degli eventi estremi nel modo più accurato possibile nello spazio e nel tempo.

Un sistema digitale del clima

Il gemello digitale della Terra vuole essere un sistema informatico che sviluppa e testa vari scenari di sviluppo per dare più informazioni ai decisori politici. I dati osservativi negli anni saranno continuamente incorporati nel modello al fine di rendere la “Terra digitale” più accurata per monitorare l’evoluzione e prevedere possibili traiettorie future. Ma oltre ai dati di osservazione utilizzati per le simulazioni climatiche, i ricercatori vogliono anche integrare nel modello i nuovi dati sulle attività umane. Il nuovo “sistema Terra” rappresenterà virtualmente tutti i processi sulla superficie terrestre nel modo più realistico possibile. Saranno inclusi l’influenza degli esseri umani sulla gestione dell’acqua, del cibo e dell‘energia e i processi nel sistema fisico della Terra. In una recente pubblicazione su Nature Computational Science, il team di ricercatori sottolinea la necessità che le scienze della terra si sposino con le scienze informatiche cercando le sfide e le soluzioni migliori per risolverle.

Modelli meteorologici e climatici come base

Nel loro articolo, i ricercatori guardano al costante sviluppo dei modelli meteorologici dagli anni ’40, una storia di successo che si è svolta in silenzio. I meteorologi hanno sperimentato, per così dire, simulazioni di processi fisici sui computer più grandi del mondo. In qualità di fisico informatico, Schulthess, un autore dell’articolo, è quindi convinto che i modelli meteorologici e climatici di oggi possano diventare sempre migliori. Per identificare i nuovi metodi per integrare le varie tecnologie, per gli autori sarà necessario usare i supercomputer e le tecnologie più innovative. Mentre i modelli sul riscaldamento globale attuali in genere trascurano i processi su piccola scala o si concentrano su poche variabili, il gemello digitale riunirà varie aree e consentirà simulazioni ad alta risoluzione dell’intero sistema Terra. Per raggiungere questo obiettivo, i codici dei programmi di simulazione devono essere adattati alle nuove tecnologie che promettono una potenza di calcolo molto maggiore.

Amplificare l’efficienza per il riscaldamento globale

Con i computer e gli algoritmi disponibili oggi, le simulazioni più complesse arrivano a vedere nel dettaglio eventi nel raggio massimo di un chilometro. La ricerca sul riscaldamento globale ha, infatti, beneficiato di prestazioni sempre più elevate tramite generazioni di processori senza dover cambiare radicalmente il loro programma. Questo aumento delle prestazioni si è interrotto circa 10 anni fa. Di conseguenza, i programmi odierni sul riscaldamento globale utilizzano spesso solo il 5% delle prestazioni delle CPU attuali. Per migliorare questo processo  sarà necessario riuscire a sviluppare più hardware e algoritmi simultaneamente. Gli scienziati propongono, inoltre, di separare i codici per risolvere il problema scientifico da quelli che eseguono il calcolo sulla rispettiva architettura di sistema. Questa programmazione più flessibile consentirebbe un passaggio più rapido ed efficiente alle architetture future. Inoltre sarà necessario condividere i codici e i programmi per facilitare il lavoro ai vari gruppi di ricerca sul riscaldamento globale.

Approfittare dell’intelligenza artificiale

Nel prossimo futuro, i supercomputer basati su unità di elaborazione grafica 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, che consumano circa 20 MW di potenza. Per ragioni sia economiche che ecologiche, un computer di questo tipo dovrebbe essere utilizzato con elettricità generata a emissioni zero di CO2. Gli autori vedono quindi un grande potenziale nell’intelligenza artificiale. L’intelligenza artificiale potrà essere utilizzata, ad esempio, per l’assimilazione e l’elaborazione dei dati usando anche metodi grafici e visivi. L’intelligenza artificiale consente quindi di accelerare le simulazioni e filtrare le informazioni più importanti lo studio del riscaldamento globale. Inoltre, i ricercatori presumono che l’uso dell’apprendimento automatico non solo renda i calcoli più efficienti, ma possa anche aiutare a descriverne i processi in modo più accurato.

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