El primer modelo del sistema terrestre desarrollado y basado en África está creando una de las modulaciones más confiables y detalladas del cambio climático.

¿Qué se necesita para recrear la Tierra? Un par de miles de líneas de código introducir algunos datos de todas las estaciones meteorológicas del mundo, y una supercomputadora.

Agregue a esa mezcla un desarrollador especializado en modelos climáticos como el profesor Francois Engelbrecht del Wits Global Change Institute y tendrá el primer modelo del sistema terrestre desarrollado y basado en África. que contribuirá a la Fase Seis del Proyecto de Intercomparación de Modelos Acoplados del Programa Mundial de Investigación sobre el Clima (CMIP6).

Engelbrecht, que se unió a Wits en enero de 2019 después de trabajar en el Consejo de Investigación Científica e Industrial (CSIR) durante una década, está trabajando para construir un modelo matemático de la Tierra, incluyendo todo el atmosférico, oceánico, procesos del ciclo de la tierra y del carbono y sus interacciones, para poder proyectar los impactos del cambio climático futuro en África y en todo el mundo. Con este fin, trabaja en estrecha colaboración con científicos de la Organización de Investigación Científica e Industrial de la Commonwealth (CSIRO) en Australia, el CSIR en Sudáfrica, la Universidad de Ciudad del Cabo (UCT) y la Universidad de Venda.

"La codificación es parte de mi vida. Codifico todos los días, "dice Engelbrecht, quien es uno de los pocos desarrolladores de modelos climáticos que existen.

Cómo construir un modelo de sistema terrestre

La construcción de un modelo de sistema terrestre no es una tarea sencilla. Para hacer esto, Engelbrecht necesita procesar datos de 50 capas de la atmósfera terrestre, que tiene aproximadamente 50 km de profundidad; el océano desde su superficie hasta el fondo, dividido en 30 capas y la tierra, dividido en seis capas para simular la humedad y la temperatura del suelo.

Un modelo del sistema terrestre proporciona una muestra numérica de todos los procesos físicos que ocurren en el sistema tridimensional acoplado océano-atmósfera-tierra. También debe incluir la química oceánica y atmosférica, incluyendo los efectos que tiene el ciclo del carbono en el sistema climático.

"Tanto el océano como la tierra son grandes sumideros (absorbentes) de carbono. También hay procesos naturales que liberan dióxido de carbono a la atmósfera. Necesitamos ver cómo funcionan estos procesos y modelar cómo el ciclo del carbono afectará al clima en el futuro en la presencia de un aumento de las emisiones de dióxido de carbono que emana de nuestra dependencia de los combustibles fósiles para obtener energía, "dice Engelbrecht.

Un modelo del sistema terrestre se basa en un conjunto de ecuaciones matemáticas que describen cómo la Tierra cambia con el tiempo para cambiar el forzamiento radiativo (por ejemplo, concentraciones crecientes de dióxido de carbono). Es decir, cuando las leyes de la física se aplican a la atmósfera, se obtiene un conjunto de ecuaciones diferenciales parciales. Estas ecuaciones se pueden resolver numéricamente para obtener una imagen de nuestro clima futuro.

"En el momento en que trabaje con este tipo de datos y matemáticas numéricas, necesitas una supercomputadora para procesarlo, "dice Engelbrecht.

"El modelo matemático divide la atmósfera en varias capas, y la Tierra en puntos de cuadrícula horizontales. Cuanto más grande sea la computadora, cuantos más puntos de cuadrícula pueda agregar, lo que hace que el modelo sea más preciso ".

Accediendo al poder de las supercomputadoras

Engelbrecht solo en los últimos años obtuvo acceso a una supercomputadora con suficiente poder de procesamiento para realizar estas costosas simulaciones computacionalmente y procesar una gran cantidad de datos. Este es el grupo Lengau del Centro de Computación de Alto Rendimiento (CHPC) del Departamento de Ciencia y Tecnología con sede en Rosebank, Ciudad del Cabo. Una sola simulación climática requiere el uso de cientos o miles de procesadores en el clúster, aplicado en paralelo para resolver las intrincadas ecuaciones del sistema terrestre.

Incluso en las supercomputadoras más rápidas del mundo, la resolución espacial de los modelos del sistema terrestre permanece limitada a unos 100 km en horizontal. En un desarrollo reciente, Engelbrecht y sus colegas también se están moviendo hacia el mundo de la Inteligencia Artificial, utilizar algoritmos especialmente diseñados que puedan representar los detalles más finos del sistema a escalas espaciales no resueltas directamente por el modelo del sistema terrestre.

"Tradicionalmente, la representación de procesos a escala fina en los modelos del sistema terrestre se basaba en estadísticas convencionales informadas por observaciones de campo de cómo los procesos a escala fina se relacionan con las características de flujo a gran escala del océano y la atmósfera. El aprendizaje automático permite más por lo tanto, se formularán relaciones más realistas entre las características de flujo de escala fina y de mayor escala en el sistema climático, "Afirma Engelbrecht.

Engelbrecht, quien hizo su doctorado. en meteorología numérica en la Universidad de Pretoria lidera el desarrollo del modelo oceánico global aplicado dentro del modelo del sistema terrestre. El CSIRO proporciona al sistema sofisticados modelos atmosféricos y de superficie terrestre, mientras que el CSIR proporciona y desarrolla el modelo del ciclo del carbono y la química atmosférica aplicados dentro del Modelo del Sistema Terrestre.

Para describir un estado inicial del océano y la atmósfera al modelo del sistema terrestre, Engelbrecht y sus colegas utilizan información de estaciones meteorológicas de todo el mundo, que se compila y comparte a través de la Organización Meteorológica Mundial.

Engelbrecht señala que comprender el clima y el ciclo del carbono del Océano Austral y la dinámica del hielo marino y las capas de hielo de la Antártida es fundamental para la proyección confiable del cambio climático futuro.

"El Océano Austral es un sumidero de carbono masivo, y nosotros (Sudáfrica, a través del Observatorio de Carbono y Clima del Océano Austral (SOCCO) del CSIR), tener el mejor conocimiento del mundo sobre la química y la física del Océano Austral, lo que hace que nuestro modelo de sistema terrestre sea increíblemente relevante para el resto del mundo, ", dice Engelbrecht." Nuestro modelo se construye a través de la lente de los procesos climáticos del Océano Austral y África ". Por lo tanto, SOCCO del CSIR y el Instituto de Ciencias Marinas de la UCT son socios importantes en el desarrollo del Modelo del Sistema Terrestre.

"Un proyecto del Programa de Investigación Científica del Sistema Terrestre de la Fundación Nacional de Investigación (ESSRP) está proporcionando un impulso inicial importante a esta colaboración, "dice Engelbrecht.

La construcción de un modelo de sistema terrestre es una tarea completamente interdisciplinaria, involucrando a expertos de una variedad de campos, incluidos los climatólogos, oceanógrafos, ecologistas, matemáticos, físicos, químicos e informáticos. Engelbrecht tiene la intención de atraer cada vez más a expertos en todos estos campos para trabajar juntos en la construcción y mejora del Modelo del Sistema Terrestre basado en África.

"Una de las razones por las que vine a Wits fue para exponer el proceso de desarrollo del modelo del sistema terrestre a colegas que tienen experiencia líder en oceanografía, climatología, Matemáticas numéricas, informática de alto rendimiento e inteligencia artificial para que podamos colaborar y contribuir conjuntamente en este campo verdaderamente multidisciplinario. Ya hemos reunido en el GCI y en las escuelas Wits de GAES y APES un grupo sólido de estudiantes de posgrado que tendrán la oportunidad de trabajar en este apasionante campo multidisciplinario. mientras contribuyen con su pensamiento novedoso al modelo del sistema terrestre, " él dice.

"Estamos creando una de las modulaciones más confiables y detalladas del cambio climático para África. Si podemos proyectar de manera confiable nuestros probables futuros de cambio climático en África, entonces podemos estimar los riesgos en aspectos como la seguridad hídrica, agricultura, biodiversidad, y salud humana, y tomar medidas oportunas a través de proyectos de mitigación y adaptación al cambio climático ".