Para evaluar los riesgos a largo plazo para los alimentos, agua, energía y otros recursos naturales críticos, Los responsables de la toma de decisiones a menudo se basan en modelos de sistemas terrestres capaces de producir proyecciones fiables de los cambios ambientales regionales y mundiales que abarcan décadas.

Un componente clave de tales modelos es la representación de la química atmosférica. Las simulaciones atmosféricas que utilizan mecanismos químicos complejos de última generación prometen las simulaciones más precisas de la química atmosférica. Desafortunadamente su tamaño, complejidad, y los requisitos computacionales han tendido a limitar tales simulaciones a períodos de tiempo cortos y a un pequeño número de escenarios para tener en cuenta la incertidumbre.

Ahora, un equipo de investigadores dirigido por el Programa Conjunto del MIT sobre Ciencia y Política de Cambio Global ha ideado una estrategia para incorporar mecanismos químicos simplificados en simulaciones atmosféricas que pueden igualar los resultados producidos por mecanismos más complejos para la mayoría de las regiones y períodos de tiempo. Si se implementa en un modelo tridimensional del sistema terrestre, la nueva estrategia de modelado podría permitir a los científicos y a los responsables de la toma de decisiones realizar actividades de bajo costo, Simulaciones rápidas de química atmosférica que cubren largos períodos de tiempo en una amplia gama de escenarios. Esta nueva capacidad podría mejorar la comprensión de los científicos de la química atmosférica y proporcionar a los responsables de la toma de decisiones una poderosa herramienta de evaluación de riesgos.

En un nuevo estudio que aparece en la revista Geoscientific Model Development de la Unión Europea de Geociencias, el equipo de investigación realizó tres simulaciones de 25 años de la química del ozono troposférico utilizando mecanismos químicos de diferentes niveles de complejidad dentro del marco de modelado CESM CAM-chem ampliamente utilizado, y comparó sus resultados con las observaciones. Investigaron las condiciones en las que estos mecanismos simplificados coincidían con la salida del mecanismo más complejo, así como cuando divergieron. Los investigadores demostraron que, para la mayoría de las regiones y períodos de tiempo, Las diferencias en la química del ozono simulado entre estos tres mecanismos son menores que las propias diferencias de observación del modelo. Encontraron resultados similares para simulaciones de monóxido de carbono y óxido nitroso.

"El mecanismo más simplificado que probamos, llamado superrápido, corrió tres veces más rápido que el más complejo (MOZART-4) mientras producía en gran medida los mismos resultados, "dice Benjamin Brown-Steiner, el autor principal del estudio y ex postdoctorado en el Programa Conjunto del MIT y el Departamento de la Tierra, Ciencias Atmosféricas y Planetarias (EAPS). "Este nivel de eficiencia podría, por ejemplo, permitir a los científicos estudiar un aspecto de la química atmosférica a lo largo del siglo XXI, ejecutando el modelo simplificado durante 100 años, y verificar su precisión ejecutando el modelo complejo al principio, mediados y finales de siglo ".

Brown-Steiner y sus colaboradores también exploraron cómo la utilización simultánea de mecanismos químicos de diferentes complejidades puede mejorar nuestra comprensión de la química atmosférica a varias escalas. Determinaron que los científicos podrían agilizar las investigaciones de la química atmosférica mediante el desarrollo de simulaciones que incluyen mecanismos químicos complejos y simplificados. En tales simulaciones, mecanismos complejos proporcionarían una representación más completa de la química atmosférica compleja, y los mecanismos simples simularían de manera eficiente períodos de tiempo más largos para comprender mejor las funciones de la variabilidad meteorológica y otras fuentes de incertidumbre.

"Al observar dónde los resultados producidos por mecanismos simples y complejos divergen en regiones particulares, estaciones o períodos de tiempo, puede determinar dónde y cuándo las simulaciones requieren una química más compleja, y aumentar la complejidad del modelado según sea necesario, "Dice Brown-Steiner.

Es una estrategia de modelado que promete mejorar tanto la comprensión de los científicos de la atmósfera terrestre como la capacidad de los responsables de la toma de decisiones para evaluar las políticas ambientales. dicen los investigadores.

"Nuestro estudio muestra que los modelos más complejos no siempre son más útiles para la toma de decisiones, "dice Noelle Selin, un coautor del estudio, profesor asociado del Instituto de Datos del MIT, Sistemas y sociedad y EPA, y miembro de la facultad del Programa Conjunto. "Los investigadores deben pensar críticamente sobre si enfoques simples y eficientes como este pueden ser igualmente informativos a un costo menor".

Finalmente, el estudio podría conducir a la inclusión de mecanismos químicos atmosféricos simplificados en marcos de modelado tridimensionales del sistema terrestre. Esta capacidad ayudaría a que los científicos y los responsables de la toma de decisiones funcionen a largo plazo, Gran conjunto (que cubre múltiples escenarios para representar un rango de incertidumbre en los parámetros clave de modelado) Simulaciones tridimensionales de la atmósfera de la Tierra dentro de un período razonable de tiempo.

"Actualmente representamos al ozono, aerosoles de sulfato, y otros contribuyentes clave al forzamiento radiativo en el sistema de la Tierra en modelos bidimensionales que no brindan el nivel de precisión que queremos, "dice Ronald Prinn, Profesor de la EAPS y codirector del Programa Conjunto, quien es coautor del estudio.

"Con ese fin, nos gustaría representarlos en modelos tridimensionales y ejecutar conjuntos [escenarios múltiples], pero una vez que colocamos un paquete químico en 3D completo, el tiempo de la computadora se vuelve inasequible, "Prinn agrega." Este estudio muestra que para los cálculos de forzamiento radiativo, la incorporación de un paquete químico rápido en un sistema de modelado puede lograr un acuerdo creíble entre observaciones y mecanismos químicos simples y complejos ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.