La Tierra aparentemente estaba perdiendo agua.

Ruby Leung, un científico del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) del Departamento de Energía (DOE), y su equipo quedó desconcertado por los resultados.

"Vimos que el nivel del mar descendía a un ritmo alarmante, " ella dijo.

Afortunadamente, solo miraban una Tierra virtual. Rápidamente se dieron cuenta de que había errores en el modelo de computadora del sistema terrestre que estaban desarrollando. Los científicos usan estos programas de computadora para visualizar el presente y ver el futuro. Necesitan acercarse lo más posible al modelo de cómo funcionan los sistemas de la Tierra en la vida real. Porque la Tierra real cicla el agua pero nunca la pierde, tampoco debería hacerlo el modelo.

Identificar el problema fue sencillo. Arreglarlo no lo fue. Hay cientos de variables en el modelo que podrían afectar su ciclo del agua. Identificar el exacto y cambiarlo sin crear otra inexactitud puede llevar horas o días de trabajo. En este caso, el modelo no estaba enviando todos los flujos de agua de la tierra al océano. Además, el modelo atmosférico estaba perdiendo una cantidad muy pequeña de agua en cada paso de tiempo, que sumaba bastante. Para solucionar el problema, Leung y sus colegas cambiaron el modelo para conservar agua.

Resolver este problema fue solo uno de los muchos desafíos que enfrentó el equipo al desarrollar el nuevo software del DOE:Energy Exascale Earth System Model (E3SM). Al representar muchos de los sistemas e interacciones de la Tierra con mayor detalle que nunca, esperan ayudar a los científicos a comprender mejor nuestro planeta hoy y en el futuro.

Entendiendo una Tierra cambiante

La Tierra siempre ha estado y siempre estará cambiando. Pero las actividades humanas están acelerando esos cambios y existe un acuerdo general de que las temperaturas globales están aumentando. Si bien los científicos pueden predecir en términos generales cómo el aumento de las temperaturas afectará a nuestro mundo, Los responsables de la formulación de políticas y los planificadores deben comprender lo que sucederá con las ciudades y los estados individuales. Ahí es donde entran en juego los modelos del sistema terrestre.

El DOE está interesado en comprender cómo la producción de energía podría afectar los sistemas de la Tierra y viceversa. Si bien la producción de energía puede acelerar el cambio climático, El aumento de las temperaturas también puede afectar la producción y el uso de energía. La falta de agua puede reducir la producción de una planta hidroeléctrica o limitar el agua disponible para enfriar plantas nucleares.

"DOE y sus predecesores siempre han tenido la misión de comprender las consecuencias ambientales de la producción y el uso de energía, "dijo David Bader, científico del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore del DOE y líder del equipo E3SM. "Sabemos que el clima y el sistema terrestre no son estacionarios. Cambia. Necesitamos una forma de comprender las interacciones".

El alcance de los modelos del sistema terrestre los hace únicos. Los científicos construyen una variedad de programas de software para simular diferentes sistemas naturales, pero los modelos del sistema terrestre los unen a todos. Demuestran cómo estos sistemas individuales, la atmósfera, tierra, Oceano, capa de hielo, y más:interactuar. También incorporan muchos aspectos de la actividad humana, como los productos de la producción de energía, gestión y uso del agua, y gestión agrícola, así como otros cambios en el uso de la tierra o en la cobertura de la tierra.

Estas combinaciones ayudan a los científicos a comprender la interacción actual y futura entre el mundo natural y las actividades humanas. Para garantizar que un modelo represente correctamente el presente, comparan los resultados modelados con las observaciones de la vida real. Las predicciones que miran décadas hacia el futuro ayudan a las personas que planifican puentes o centrales eléctricas a comprender cómo sus elecciones a largo plazo podrían afectar o verse afectadas por estos cambios.

Un modelo que gira en torno a la energía

Si bien solo hay una Tierra, hay muchos modelos de sistemas terrestres. Los miembros del equipo de E3SM diseñaron su modelo para responder preguntas relevantes para la misión del DOE.

Uno de los santos griales en lo que respecta a la planificación energética es poder predecir cómo y cuándo llueve, nieve, y otras precipitaciones caen sobre la tierra. Los cambios climáticos y de uso de la tierra podrían aumentar la capacidad de la atmósfera para retener la humedad y provocar que las tormentas ocurran con mayor frecuencia e intensidad. A diferencia de, también podría conducir a una mayor evaporación, resultando en más sequía. O lo más probable ambos pueden ocurrir en diferentes lugares del mundo.

El nuevo modelo se centra en tres áreas que tienen efectos significativos sobre la precipitación superficial, vientos y la temperatura, así como la producción de energía:el ciclo del agua, la forma en que los diferentes componentes del sistema terrestre intercambian flujos biogeoquímicos, y el movimiento y derretimiento de las capas de hielo.

"Para predecir la precipitación, es necesario comprender realmente casi todas las demás partes del sistema de la Tierra, "dijo Leung." La atmósfera está jugando el papel de conectar todo. El ambiente no es local ".

Combinar estos sistemas en un modelo y obtener el nivel de detalle necesario no es algo que pueda hacer en su computadora de escritorio. En lugar de, requiere las grandes máquinas:las supercomputadoras en las instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. Los programadores de E3SM escribieron el software para aprovechar al máximo el hardware y los sistemas operativos de estas computadoras. El equipo también lo está diseñando para poder actualizar el modelo para que se ejecute en las futuras computadoras de exaescala del DOE. Estas computadoras serán 50 veces más potentes que las computadoras más rápidas de la actualidad.

Usando estas computadoras, el modelo podrá proporcionar muchos más detalles que los modelos anteriores del sistema terrestre. El equipo espera que E3SM ofrezca el doble de nivel de detalle general utilizando la nueva Cumbre de supercomputadoras de Oak Ridge Leadership Computing Facility (una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE). en comparación con los modelos actuales. Dependiendo de la necesidad también puede ofrecer la misma cantidad de detalles generales en la mayor parte del mundo, al mismo tiempo que proporciona una resolución extremadamente alta en áreas específicas. Esta resolución refinada regionalmente permitirá a los científicos observar los efectos sobre una base mucho más regional. Eso podría ayudarlos a comprender mejor las actividades humanas, como la agricultura, que varían de un lugar a otro.

Esta potencia informática también les permitirá ejecutar 10 veces más simulaciones de las que pueden realizar actualmente.

"Ahora podemos hacer más simulaciones con menos recursos, "dijo Mark Taylor, un científico de los Laboratorios Nacionales Sandia del DOE y Científico Computacional Jefe de E3SM.

La ejecución del programa en computadoras a exaescala permitirá saltos aún mayores en la complejidad y los detalles del modelo.

Cómo crear una herramienta que mira hacia el futuro

Construir un modelo tan complicado es como reconstruir un automóvil. Puede comenzar con el mismo marco, pero para cuando afinas algunas partes viejas, cambiar otros por otros nuevos, y hacer que todo funcione en conjunto, se ve y actúa de manera completamente diferente.

Empezar, el equipo trabajó con un modelo de sistema terrestre existente:el Modelo del Sistema Terrestre Comunitario.

El mayor desafío con el Modelo del Sistema Terrestre Comunitario, y todos los modelos del sistema terrestre existentes, es que hay áreas donde las simulaciones son consistentemente inexactas. Si bien su modelo coincide ampliamente con la evidencia, ciertos detalles no se corresponden del todo con las observaciones.

Desafortunadamente, estos problemas no tienen una solución sencilla.

"No es como si pudieras cambiar una cosa y se corrige. Cambias una cosa y usualmente empeora otra porque el sistema está interconectado, "dijo Bader. Al igual que el sistema de la Tierra real.

Hay varias vías que los modeladores están siguiendo para reducir estos errores.

Revisar el modelo base es el lugar más lógico para comenzar. Los científicos a menudo pueden mejorar los modelos ajustando las ecuaciones físicas y las teorías ecológicas que se basan en los hallazgos de la investigación. Datos de observación, como del Centro de Investigación Climática ARM de la Oficina de Ciencias del DOE, proporcionan regularmente nuevos conocimientos.

Cambiar los submodelos existentes por nuevos, los más precisos es otro enfoque. El equipo de E3SM emprendió la enorme tarea de desarrollar cuatro submodelos completamente nuevos que representan ríos, el océano global, hielo marino, y tierra de hielo.

"Hay procesos que normalmente no se han representado en ningún modelo de sistema terrestre en todo el mundo, "dijo Leung, refiriéndose al modelo del río. "Sin estas partes, nos faltan algunos de los eslabones importantes de la energía global, agua, y ciclos biogeoquímicos ".

Pero agregar estos nuevos modelos no es una cuestión de cortar y pegar. Los científicos necesitan conectarlos con precisión para que los cambios en uno afecten correctamente a los demás.

"Reemplaza todos estos componentes y espera que este modelo funcione mejor que antes. Pero no es pura suerte. Realmente necesita volver a lo básico, "Dijo Leung.

Similar al problema de "falta de agua", el equipo enfrentó un desafío similar con su modelo oceánico. Después de que lo reemplazaron, vieron que todo el sistema de la Tierra no estaba simulando la Oscilación Sur-El Niño, una gran influencia en los patrones climáticos. El equipo se dio cuenta de que los modelos de la atmósfera y el océano representaban la relación entre el viento y el movimiento del agua en el océano de manera diferente a como lo hacían las observaciones. Para que ambos sean más precisos, revisaron los procesos para que coincidieran entre sí.

Siempre mejorando, Siempre experimentando

Todo este arduo trabajo valió la pena cuando el equipo lanzó la primera versión del modelo en abril pasado. Pero están lejos de terminar. De hecho, esperan producir al menos tres versiones más en el futuro.

Ya están mejorando el modelo actual modificando los submodelos que contiene. Los investigadores han publicado un artículo que analiza cómo mejorar la forma en que el modelo del río representa las inundaciones en el Amazonas. Mediante el uso de datos topográficos sobre los canales de los ríos e información sobre cómo fluye el agua entre la tierra y el río, pudieron hacer que el submodelo fuera más preciso. Otro estudio describe cómo el modelo del río podría mostrar mejor cómo y cuándo los diferentes sectores de la sociedad utilizan las aguas superficiales y subterráneas.

Al mismo tiempo, los científicos están utilizando el modelo actual para realizar una serie de experimentos. Mientras terminan, publicarán los "datos" del modelo en el archivo de datos de los resultados del modelo de la Federación de cuadrículas del sistema terrestre del DOE. El proyecto también ha puesto su código a disposición del público a través del popular sitio web de programación GitHub.

A medida que el proyecto continúa, Los científicos están trabajando para tener una visión más clara del futuro de nuestra Tierra que nunca.

"Todos estos modelos representan el conocimiento acumulado que hemos adquirido durante los últimos 40 años, ", dijo Bader." Eso resultó en una mejor comprensión y, por lo tanto, en la representación de los procesos del sistema de energía y de la Tierra. Es mucho más completo que los modelos anteriores ".