Un gemelo digital de nuestro planeta es simular el sistema de la Tierra en el futuro. Su objetivo es ayudar a los responsables de la formulación de políticas a tomar las medidas adecuadas para prepararse mejor para los eventos extremos. Un nuevo documento de estrategia elaborado por científicos europeos y científicos informáticos de la ETH Zurich muestra cómo se puede lograr esto.

Para volverse climáticamente neutral para 2050, la Unión Europea lanzó dos programas ambiciosos:Green Deal y DigitalStrategy. Como componente clave de su implementación exitosa, los científicos del clima y los informáticos lanzaron la iniciativa Destino Tierra, que comenzará a mediados de 2021 y se espera que dure hasta diez años. Durante este período, se creará un modelo digital de alta precisión de la Tierra, un gemelo digital de la Tierra, cartografiar el desarrollo climático y los fenómenos extremos con la mayor precisión posible en el espacio y el tiempo.

Los datos de observación se incorporarán continuamente al gemelo digital para que el modelo digital de la Tierra sea más preciso para monitorear la evolución y predecir posibles trayectorias futuras. Pero además de los datos de observación utilizados convencionalmente para simulaciones meteorológicas y climáticas, los investigadores también quieren integrar nuevos datos sobre actividades humanas relevantes en el modelo. El nuevo modelo del sistema de la Tierra representará prácticamente todos los procesos en la superficie de la Tierra de la manera más realista posible, incluida la influencia de los seres humanos en el agua, gestión de alimentos y energía, y los procesos en el sistema físico de la Tierra.

Sistema de información para la toma de decisiones

El gemelo digital de la Tierra pretende ser un sistema de información que desarrolle y pruebe escenarios que muestren un desarrollo más sostenible y, por lo tanto, informen mejor las políticas. "Si está planeando un dique de dos metros de altura en los Países Bajos, por ejemplo, Puedo analizar los datos de mi gemelo digital y comprobar si es muy probable que el dique aún proteja contra los eventos extremos esperados en 2050, "dice Peter Bauer, subdirector de Investigación del Centro Europeo de Previsiones Meteorológicas a Medio Plazo (ECMWF) y co-iniciador de Destination Earth. El gemelo digital también se utilizará para la planificación estratégica de suministros de agua dulce y alimentos o parques eólicos y plantas solares.

Las fuerzas impulsoras detrás de Destination Earth son el ECMWF, la Agencia Espacial Europea (ESA), y la Organización Europea para la Explotación de Satélites Meteorológicos (EUMETSAT). Junto con otros científicos, Bauer está impulsando la ciencia climática y los aspectos meteorológicos del gemelo digital de la Tierra, pero también confían en los conocimientos técnicos de los informáticos de ETH Zurich y el Swiss National Supercomputing Center (CSCS), a saber, los profesores de ETH Torsten Hoefler, del Instituto de Sistemas de Computación de Alto Rendimiento, y Thomas Schulthess, Director de CSCS.

Para dar este gran paso en la revolución digital, Bauer enfatiza la necesidad de que las ciencias de la tierra estén casadas con las ciencias de la computación. En una publicación reciente en Ciencia Computacional de la Naturaleza , el equipo de investigadores de las ciencias de la tierra y de la computación discute qué medidas concretas les gustaría utilizar para avanzar en esta "revolución digital de las ciencias del sistema terrestre, "dónde ven los desafíos y qué posibles soluciones se pueden encontrar.

Modelos meteorológicos y climáticos como base

En su papel los investigadores miran hacia atrás en el desarrollo constante de modelos meteorológicos desde la década de 1940, una historia de éxito que se desarrolló en silencio. Los meteorólogos fueron pioneros, por así decirlo, simulaciones de procesos físicos en las computadoras más grandes del mundo. Como físico e informático, Por lo tanto, Schulthess de CSCS está convencido de que los modelos meteorológicos y climáticos de hoy son ideales para identificar formas completamente nuevas para muchas más disciplinas científicas de cómo usar las supercomputadoras de manera eficiente.

En el pasado, Los modelos meteorológicos y climáticos utilizaron diferentes enfoques para simular el sistema terrestre. Mientras que los modelos climáticos representan un conjunto muy amplio de procesos físicos, suelen descuidar los procesos a pequeña escala, cuales, sin embargo, son esenciales para las previsiones meteorológicas más precisas que, a su vez, centrarse en un número menor de procesos. El gemelo digital unirá ambas áreas y permitirá simulaciones de alta resolución que representan los procesos complejos de todo el sistema terrestre. Pero para lograrlo, los códigos de los programas de simulación deben adaptarse a las nuevas tecnologías que prometen una potencia informática mucho mayor.

Con las computadoras y los algoritmos disponibles en la actualidad, Las simulaciones altamente complejas difícilmente pueden llevarse a cabo con la resolución extremadamente alta planificada de un kilómetro porque durante décadas, el desarrollo de código se estancó desde una perspectiva informática. La investigación climática se benefició de poder obtener un mayor rendimiento mediante las nuevas generaciones de procesadores sin tener que cambiar fundamentalmente su programa. Esta ganancia de rendimiento gratuita con cada nueva generación de procesadores se detuvo hace unos 10 años. Como resultado, Los programas actuales a menudo solo pueden utilizar el 5 por ciento del rendimiento máximo de los procesadores convencionales (CPU).

Para lograr las mejoras necesarias, los autores enfatizan la necesidad de co-diseño, es decir, desarrollar hardware y algoritmos juntos y simultáneamente, como CSCS demostró con éxito durante los últimos diez años. Sugieren prestar especial atención a las estructuras de datos genéricos, discretización espacial optimizada de la cuadrícula a calcular y optimización de las longitudes de los intervalos de tiempo. Los científicos proponen además separar los códigos para resolver el problema científico de los códigos que realizan de manera óptima el cálculo en la arquitectura del sistema respectivo. Esta estructura de programa más flexible permitiría un cambio más rápido y eficiente a arquitecturas futuras.

Aprovechando la inteligencia artificial

Los autores también ven un gran potencial en la inteligencia artificial (IA). Puede ser usado, por ejemplo, para la asimilación de datos o el procesamiento de datos de observación, la representación de procesos físicos inciertos en los modelos y la compresión de datos. Así, la IA permite acelerar las simulaciones y filtrar la información más importante de grandes cantidades de datos. Adicionalmente, los investigadores asumen que el uso del aprendizaje automático no solo hace que los cálculos sean más eficientes, pero también puede ayudar a describir los procesos físicos con mayor precisión.

Los científicos ven su documento de estrategia como un punto de partida en el camino hacia un gemelo digital de la Tierra. Entre las arquitecturas informáticas disponibles en la actualidad y las previstas en un futuro próximo, las supercomputadoras basadas en unidades de procesamiento de gráficos (GPU) parecen ser la opción más prometedora. Los investigadores estiman que operar un gemelo digital a escala completa requeriría un sistema con aproximadamente 20, 000 GPU, consumiendo una potencia estimada de 20MW. Tanto por razones económicas como ecológicas, tal computadora debe ser operada en un lugar donde CO ₂ -La electricidad generada neutra está disponible en cantidades suficientes.