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Cientistas começam a construir gêmeos digitais altamente precisos de nosso planeta
Os dados observacionais serão continuamente incorporados ao gêmeo digital, a fim de tornar o modelo digital da Terra mais preciso para monitorar a evolução e prever possíveis trajetórias futuras.
Por Simone Ulmer - 24/02/2021


Um gêmeo digital da Terra deve simular o sistema terrestre de forma abrangente e em alta resolução e servir, por exemplo, como base para orientar medidas de adaptação às mudanças climáticas. Crédito: ESA

Um gêmeo digital de nosso planeta deve simular o sistema terrestre no futuro. Destina-se a apoiar os decisores políticos na tomada de medidas adequadas para melhor se preparar para eventos extremos. Um novo documento de estratégia por cientistas europeus e cientistas da computação da ETH Zurich mostra como isso pode ser alcançado.

Para se tornar neutra para o clima até 2050, a União Europeia lançou dois programas ambiciosos: Green Deal e DigitalStrategy. Como um componente-chave de sua implementação bem-sucedida, cientistas do clima e cientistas da computação lançaram a iniciativa Destination Earth, que começará em meados de 2021 e deve durar até dez anos. Durante este período, um modelo digital altamente preciso da Terra será criado, um gêmeo digital da Terra, para mapear o desenvolvimento do clima e eventos extremos com a maior precisão possível no espaço e no tempo.

Os dados observacionais serão continuamente incorporados ao gêmeo digital, a fim de tornar o modelo digital da Terra mais preciso para monitorar a evolução e prever possíveis trajetórias futuras. Mas, além dos dados de observação convencionalmente usados ​​para simulações de tempo e clima , os pesquisadores também querem integrar novos dados sobre atividades humanas relevantes no modelo. O novo modelo do sistema terrestre representará virtualmente todos os processos na superfície terrestre da maneira mais realista possível, incluindo a influência dos humanos na água, na gestão de alimentos e energia e nos processos do sistema físico terrestre.

Sistema de informação para tomada de decisão

O gêmeo digital da Terra pretende ser um sistema de informação que desenvolve e testa cenários que mostram um desenvolvimento mais sustentável e, assim, informa melhor as políticas. "Se você está planejando um dique de dois metros de altura na Holanda, por exemplo, posso examinar os dados em meu gêmeo digital e verificar se o dique com toda a probabilidade ainda protegerá contra eventos extremos esperados em 2050", disse Peter Bauer , vice-diretor de Pesquisa do Centro Europeu de Previsões do Tempo de Médio Prazo (ECMWF) e co-iniciador do Destination Earth. O gêmeo digital também será usado para o planejamento estratégico de água doce e abastecimento de alimentos ou parques eólicos e usinas solares.

As forças motrizes por trás do Destino Terra são a ECMWF, a Agência Espacial Europeia (ESA) e a Organização Europeia para a Exploração de Satélites Meteorológicos (EUMETSAT). Juntamente com outros cientistas, Bauer está conduzindo a ciência do clima e os aspectos meteorológicos do gêmeo digital da Terra, mas eles também contam com o know-how de cientistas da computação da ETH Zurique e do Centro Nacional de Supercomputação da Suíça (CSCS), ou seja, os professores ETH Torsten Hoefler , do Institute for High Performance Computing Systems, e Thomas Schulthess, Diretor do CSCS.
 
Para dar este grande passo na revolução digital, Bauer enfatiza a necessidade de as ciências da terra se casarem com as ciências da computação. Em uma publicação recente na Nature Computational Science , a equipe de pesquisadores da terra e das ciências da computação discute quais medidas concretas eles gostariam de usar para fazer avançar esta "revolução digital das ciências do sistema terrestre ", onde eles vêem os desafios e quais soluções possíveis pode ser encontrado.

Modelos de tempo e clima como base

Em seu artigo, os pesquisadores analisam o desenvolvimento constante de modelos meteorológicos desde a década de 1940, uma história de sucesso que ocorreu em silêncio. Os meteorologistas foram os pioneiros, por assim dizer, nas simulações de processos físicos nos maiores computadores do mundo. Como físico e cientista da computação, Schulthess da CSCS está, portanto, convencido de que os modelos meteorológicos e climáticos de hoje são ideais para identificar maneiras completamente novas para muitas outras disciplinas científicas de como usar supercomputadores com eficiência.

No passado, a modelagem de tempo e clima usava diferentes abordagens para simular o sistema terrestre. Enquanto os modelos climáticos representam um conjunto muito amplo de processos físicos, eles normalmente negligenciam os processos de pequena escala, que, no entanto, são essenciais para as previsões meteorológicas mais precisas que, por sua vez, se concentram em um número menor de processos. O gêmeo digital reunirá as duas áreas e permitirá simulações de alta resolução que retratam os processos complexos de todo o sistema terrestre. Mas para conseguir isso, os códigos dos programas de simulação devem ser adaptados às novas tecnologias que prometem um poder de computação muito maior.

Com os computadores e algoritmos disponíveis hoje, as simulações altamente complexas dificilmente podem ser realizadas na resolução extremamente alta planejada de um quilômetro porque, por décadas, o desenvolvimento de código estagnou do ponto de vista da ciência da computação. A pesquisa climática se beneficiou de ser capaz de obter maior desempenho por meio de novas gerações de processadores sem ter que mudar fundamentalmente seu programa. Esse ganho de desempenho gratuito com cada nova geração de processador parou há cerca de 10 anos. Como resultado, os programas de hoje geralmente podem utilizar apenas 5 por cento do desempenho de pico dos processadores convencionais (CPU).

Para alcançar as melhorias necessárias, os autores enfatizam a necessidade de co-design, ou seja, desenvolver hardware e algoritmos juntos e simultaneamente, como o CSCS demonstrou com sucesso durante os últimos dez anos. Eles sugerem prestar atenção especial às estruturas de dados genéricas, discretização espacial otimizada da grade a ser calculada e otimização dos comprimentos dos intervalos de tempo. Os cientistas ainda propõem separar os códigos para resolver o problema científico dos códigos que realizam a computação de forma otimizada na respectiva arquitetura do sistema. Essa estrutura de programa mais flexível permitiria uma mudança mais rápida e eficiente para arquiteturas futuras.

Lucrando com inteligência artificial

Os autores também veem um grande potencial em inteligência artificial (IA). Pode ser usado, por exemplo, para assimilação de dados ou processamento de dados de observação, representação de processos físicos incertos nos modelos e compressão de dados. A IA, portanto, torna possível acelerar as simulações e filtrar as informações mais importantes de grandes quantidades de dados. Além disso, os pesquisadores assumem que o uso do aprendizado de máquina não apenas torna os cálculos mais eficientes, mas também pode ajudar a descrever os processos físicos com mais precisão.

Os cientistas vêem seu documento de estratégia como um ponto de partida no caminho para um gêmeo digital da Terra. Entre as arquiteturas de computador disponíveis hoje e as esperadas no futuro próximo, os supercomputadores baseados em unidades de processamento gráfico (GPU) parecem ser a opção mais promissora. Os pesquisadores estimam que operar um gêmeo digital em escala real exigiria um sistema com cerca de 20.000 GPUs, consumindo cerca de 20 MW de energia. Por razões econômicas e ecológicas, tal computador deve ser operado em um local onde a eletricidade gerada sem CO 2 esteja disponível em quantidades suficientes.

 

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