Las regiones costeras árticas que cambian rápidamente de la Tierra tienen un efecto climático descomunal que resuena en todo el mundo. El seguimiento de los procesos detrás de esta evolución es una tarea abrumadora incluso para los mejores científicos.

Las costas son algunas de las áreas más dinámicas del planeta:lugares donde el mar, terrestre, las acciones atmosféricas y humanas se encuentran. Pero las regiones costeras del Ártico enfrentan los problemas más preocupantes del cambio climático causado por el hombre debido al aumento de las emisiones de gases de efecto invernadero. dice Andrew Roberts, científico del Laboratorio Nacional de Los Alamos (LANL).

"Los sistemas costeros del Ártico son muy frágiles, "dice Roberts, que lidera el elemento de sistemas informáticos de alto rendimiento de un esfuerzo más amplio de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía (DOE), dirigido por su oficina de Investigación Biológica y Ambiental (BER), para simular las cambiantes condiciones costeras del Ártico. "Hasta las últimas décadas, grueso, El hielo marino ártico perenne parece haber sido estable en general. Ahora, el aumento de las temperaturas está provocando que se derrita ".

En la década de 1980, el hielo de varios años de al menos cuatro años representó más del 30 por ciento de la cobertura del Ártico; que se ha reducido a no mucho más del 1 por ciento en la actualidad. Mientras que ese bloque de hielo perenne circula por el Ártico, otro tipo conocido como hielo terrestre:anclado a la costa o al fondo del océano, actuando como una extensión de tierra flotante, se está alejando hacia la costa debido al aumento de las temperaturas.

Esto expone las regiones costeras a olas dañinas que pueden dispersar el hielo y erosionar el permafrost costero. Dice Roberts.

Los investigadores han demostrado que la extensión del hielo marino del Ártico en septiembre está disminuyendo en aproximadamente un 13 por ciento cada década, a medida que el Ártico se calienta más del doble de rápido que el resto del planeta, lo que los científicos llaman "amplificación del Ártico".

Los cambios en el hielo marino del Ártico y el derretimiento del hielo terrestre pueden alterar la denominada cinta transportadora oceánica global que hace circular el agua por todo el planeta y ayuda a estabilizar el clima. Roberts informa. La corriente se mueve fría denso, agua salada de los polos a los océanos tropicales, que envían agua tibia a cambio.

El Ártico ahora está atrapado en un circuito de retroalimentación paralizante:el hielo marino puede reflejar el 80 por ciento o más de la luz solar en el espacio, pero su implacable declive causa áreas cada vez más grandes de oscuridad, océano abierto para tomar su lugar en verano y absorber más del 90 por ciento de la luz solar del mediodía, conduciendo a un mayor calentamiento.

Roberts y sus colegas descubren cómo las reducciones en el hielo del Ártico y los aumentos en las temperaturas del Ártico afectan las inundaciones, biogeoquímica marina, Envío, extracción de recursos naturales y pérdida de hábitat de vida silvestre. El equipo también evalúa los efectos del cambio climático en las comunidades tradicionales, donde el calentamiento antropogénico afecta los patrones climáticos y daña los terrenos de caza y la infraestructura, como edificios y carreteras.

El permafrost ártico —suelo congelado— se está derritiendo rápidamente debido al calentamiento del clima. Algunos científicos predicen que aproximadamente 2.5 millones de millas cuadradas de este suelo, alrededor del 40 por ciento del total mundial, podrían desaparecer para fines de siglo y liberar cantidades gigantescas de potentes gases de efecto invernadero. incluido el metano, dióxido de carbono y vapor de agua.

El proyecto de investigación general, la Investigación Interdisciplinaria para Ambientes Costeros Árticos patrocinada por BER (InteRFACE), dirigido por Joel Rowland, también de LANL, y es una colaboración multiinstitucional que incluye a otros laboratorios y universidades nacionales. Roberts ha supervisado los aspectos computacionales del proyecto DOE que se han beneficiado de 650, 000 horas-nodo de tiempo de supercomputación en 2020 en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC) en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.

Los cálculos de la costa ártica utilizaron Cori de NERSC, un sistema Cray XC40 con 700, 000 núcleos de procesamiento que pueden realizar 30 mil billones de operaciones de punto flotante por segundo.

Los investigadores de LANL, con colegas de muchos otros laboratorios nacionales, han confiado y contribuido al desarrollo de una sofisticada herramienta de investigación respaldada por el DOE llamada Energy Exascale Earth System Model (E3SM), permitiéndoles utilizar la simulación de supercomputadoras y la gestión de datos para comprender mejor los cambios en los sistemas costeros del Ártico. Las actividades de InteRFACE contribuyen al desarrollo de E3SM y se benefician de su desarrollo más amplio.

E3SM retrata la atmósfera, Oceano, hielo terrestre y marino, incluidos los cambios de masa y energía entre ellos, en alta resolución, modelos tridimensionales, enfocando la potencia informática de Cori en pequeñas regiones de gran interés. Los científicos han creado mallas en forma de cuadrícula de celdas triangulares en los componentes de hielo marino y océano de E3SM para reproducir las costas de la región con alta fidelidad.

"Una de las grandes preguntas es cuándo el derretimiento del hielo marino hará que el Océano Ártico sea navegable durante todo el año. ", Dice Roberts. Aunque los barcos gubernamentales y comerciales, incluso los cruceros, han podido maniobrar a través del Paso del Noroeste en el Archipiélago Canadiense en los últimos veranos, para 2030, la región podría ser navegable de forma rutinaria durante muchos meses del año si el hielo marino continúa derritiéndose rápidamente, él dice.

El desarrollo de E3SM ayudará a los investigadores a comprender mejor cuánto es navegable el Pasaje del Noroeste en comparación con las mallas rectangulares tradicionales utilizadas en muchos modelos climáticos de menor resolución. Notas de Roberts.

E3SM presenta una resolución a escala meteorológica, es decir, lo suficientemente detallado como para capturar frentes, tormentas y huracanes, y utiliza computadoras avanzadas para simular aspectos de la variabilidad de la Tierra. El código ayuda a los investigadores a anticipar cambios a escala decenal que podrían influir en el sector energético de EE. UU. En los próximos años.

"Si tuviéramos la potencia informática, nos gustaría tener simulaciones de alta resolución en todo el mundo, ", dice." Pero eso es increíblemente caro de emprender ".

Ethan Coon, un científico del Laboratorio Nacional de Oak Ridge y un co-investigador de un proyecto relacionado, respaldado por el Desafío de Computación de Liderazgo (ALCC) del programa de Investigación en Computación Científica Avanzada (ASCR) del DOE, dice que el calentamiento de la tierra en el extremo norte "está transformando el ciclo hidrológico del Ártico, y estamos viendo cambios significativos en la descarga de ríos y arroyos ". El programa ALCC asigna tiempo de supercomputadora para proyectos del DOE que enfatizan el alto riesgo, simulaciones de alto rendimiento y eso amplió la comunidad de investigación.

Mapache, un alumno de la Beca de Posgrado en Ciencias Computacionales del DOE, dice que el calentamiento está alterando las vías de los ríos y arroyos. A medida que el permafrost de descongelación desciende por debajo de la superficie, el agua subterránea fluye más profundamente bajo tierra y se mantiene más fría a medida que fluye hacia los arroyos, lo que podría afectar a los peces y otros animales silvestres.

Lo que sucede en tierra tiene un gran impacto en el océano, Roberts está de acuerdo. Por fin él dice, "finalmente tenemos la capacidad de refinar realmente las regiones costeras y simular sus procesos físicos".