Учени искат създаване на подробен цифров близнак на Земята

За да премахне човешкото влияние върху климата до 2050 г., Европейският съюз стартира две амбициозни програми: Green Deal и DigitalStrategy. Ключов компонент за успешното им изпълнение ще бъде инициативата Destination Earth, която трябва да стартира в средата на 2021 г. с диапазон от десет години. През това време се планира да се създаде цифров модел на Земята (т.нар. цифров близнак), който да отразява възможно най-точно естеството на климатичното развитие и екстремните събития в пространството и времето.

Цифровият близнак ще се актуализира непрекъснато с данни от наблюдения, за да може по-точно да следи развитието и да предсказва възможни бъдещи промени. В допълнение към данните, традиционно използвани за моделиране на времето и климата, изследователите искат да интегрират информация за човешки дейности. Новият модел ще представи възможно най-реалистично всички процеси, включително тези, свързани с човешкото влияние върху управлението на водата, храните и енергията, както и процесите във физическия контур на планетата.

Моделът се очаква да бъде в основата на система за разработване и тестване на сценарии за устойчиво развитие. Ако, например, Холандия планира да двуметрова дига, то цифровият близнак може да се използва, за да се провери дали тя ще осигурява адекватна защита през 2050 година.

Цифровият близнак ще може да се използва и за стратегическо планиране, както и за планиране на доставките на прясна вода и храна или за изграждането на вятърни и слънчеви електроцентрали. За да успеят в цифровата революция, геонауките трябва да бъдат свързани с компютърните науки. Метеоролозите са пионери в моделирането на физически процеси с най-мощните компютри в света. Изследователите са убедени, че настоящите модели на времето и климата са идеални за определяне на изцяло нови начини за ефективно използване на суперкомпютрите за много други научни дисциплини.

Климатичните модели интегрират широк спектър от физически процеси, но не отчитат малките процеси, които са необходими за точни прогнози за времето. Метеорологичните модели пък не обхващат толкова широк спектър от разнообразни процеси. Затова целта на подобен цифров близнак е да комбинира и двете области и да позволи високо ниво на детайлност за симулации на процесите на цялата земна система.

За да се постигне това обаче е необходима адаптация на софтуера към новите технологии, обещаващи значително по-висока изчислителна мощност. Наличните днес компютри и алгоритми не позволяват моделиране с планираното високо ниво на детайлност от 1 км. Преди това, в продължение на години, климатичните изследвания успяваха да постигат по-добра производителност и без фундаментални софтуерни промени. Преди около 10 години обаче настъпи промяна и сега програмите могат да използват само 5% от върховата мощност на конвенционалните процесори. Днес хардуерът и алгоритмите трябва да се разработват заедно и едновременно. Също така е необходимо да се отдели кодът на програмите, предназначени за решаване на научен проблем, от кода, който оптимално извършва изчисления на съответната системна архитектура. Това ще позволи по-бърз и ефективен преход към нови архитектури.

Изследователите виждат и голям потенциал в сферата на изкуствения интелект, който може да ускори моделирането и да филтрира най-важната информация от големите количества постъпващи данни. Използването на машинно обучение не само ще направи изчисленията по-ефективни, но също така ще помогне да се описват по-точно физическите процеси.

Сред компютърните архитектури, налични днес и очаквани в близко бъдеще, базираните на графични процесори суперкомпютри изглеждат най-обещаващ вариант. Изследователите изчисляват, че пълномащабният цифров близнак ще изисква система с около 20 000 графични процесора и ще потребява около 20 мегавата електричество.