A Terra aparentemente estava perdendo água.

Ruby Leung, um cientista do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico (PNNL) do Departamento de Energia (DOE), e sua equipe ficou perplexa com os resultados.

"Estávamos vendo o nível do mar diminuindo a uma taxa alarmante, " ela disse.

Felizmente, eles estavam apenas olhando para uma Terra virtual. Eles rapidamente perceberam que havia erros no modelo de computador do sistema terrestre que estavam desenvolvendo. Os cientistas usam esses programas de computador para visualizar o presente e ver o futuro. Eles precisam chegar o mais perto possível de modelar como os sistemas da Terra funcionam na vida real. Porque a verdadeira Terra dá um ciclo na água, mas nunca a perde, nem deveria o modelo.

Identificar o problema foi simples. Consertar não era. Existem centenas de variáveis ​​no modelo que podem afetar o ciclo da água. Identificar o exato e alterá-lo sem criar outra imprecisão pode levar horas ou dias de trabalho. Neste caso, o modelo não estava enviando todos os fluxos de escoamento de água da terra para o oceano. Além disso, o modelo atmosférico estava perdendo uma quantidade muito pequena de água a cada passo de tempo, que somou bastante. Para consertar o problema, Leung e colegas mudaram o modelo para conservar água.

Resolver esse problema foi apenas um dos muitos desafios que a equipe enfrentou ao desenvolver o novo software do DOE:o Energy Exascale Earth System Model (E3SM). Ao representar muitos dos sistemas e interações da Terra com mais detalhes do que nunca, eles esperam ajudar os cientistas a entender melhor nosso planeta hoje e no futuro.

Compreendendo uma Terra em Mudança

p A Terra sempre foi e sempre estará mudando. Mas as atividades humanas estão acelerando essas mudanças e há um consenso geral de que as temperaturas globais estão subindo. Embora os cientistas possam prever como o aumento das temperaturas afetará nosso mundo, os formuladores de políticas e planejadores precisam entender o que acontecerá com cada cidade e estado. É aí que os modelos do sistema terrestre entram em jogo.

O DOE está interessado em entender como a produção de energia pode afetar os sistemas da Terra e vice-versa. Embora a produção de energia possa acelerar as mudanças climáticas, o aumento das temperaturas também pode afetar a produção e o uso de energia. A falta de água pode reduzir a produção de uma usina hidrelétrica ou limitar a disponibilidade de água para o resfriamento de usinas nucleares.

"O DOE e seus antecessores sempre tiveram a missão de compreender as consequências ambientais da produção e uso de energia, "disse David Bader, um cientista do Laboratório Nacional Lawrence Livermore do DOE e líder da equipe E3SM. "Sabemos que o clima e o sistema terrestre não são estacionários. Ele muda. Precisamos de uma maneira de entender as interações."

O escopo dos modelos do sistema terrestre os torna únicos. Os cientistas constroem uma variedade de programas de software para simular diferentes sistemas naturais, mas os modelos do sistema terrestre os reúnem. Eles demonstram como esses sistemas individuais - a atmosfera, solo, oceano, mantos de gelo, e muito mais - interaja. Eles também incorporam muitos aspectos da atividade humana, como os produtos da produção de energia, gestão e uso da água, e gestão da agricultura, bem como outras mudanças no uso ou cobertura da terra.

Essas combinações ajudam os cientistas a compreender a interação atual e futura entre o mundo natural e as atividades humanas. Para garantir que um modelo esteja representando corretamente o presente, eles comparam os resultados modelados às observações da vida real. As previsões olhando para décadas no futuro ajudam as pessoas que planejam pontes ou usinas de energia a entender como suas escolhas de longo prazo podem afetar ou ser afetadas por essas mudanças.

Um modelo que gira em torno da energia

Embora haja apenas uma Terra, existem muitos modelos de sistemas terrestres. Os membros da equipe E3SM projetaram seu modelo para responder a perguntas relevantes para a missão do DOE.

Um dos santo graal quando se trata de planejamento de energia é ser capaz de prever como e quando chover, neve, e outras precipitações caem sobre a terra. Mudanças no clima e no uso da terra podem aumentar a capacidade da atmosfera de reter a umidade e fazer com que as tempestades ocorram com mais frequência e intensidade. Em contraste, também pode levar a mais evaporação, resultando em mais seca. Ou provavelmente, ambos podem ocorrer em diferentes lugares do mundo.

p O novo modelo se concentra em três áreas que têm efeitos significativos na precipitação de superfície, ventos, e temperatura, bem como produção de energia:o ciclo da água, a forma como diferentes componentes do sistema terrestre trocam fluxos biogeoquímicos, e o movimento e derretimento das camadas de gelo.

"Para prever a precipitação, você precisa realmente entender quase todas as outras partes do sistema terrestre, "disse Leung." A atmosfera está desempenhando o papel de conectar tudo. A atmosfera não é local. "

Combinar esses sistemas em um modelo e obter o nível de detalhe necessário não é algo que você possa fazer em seu computador desktop. Em vez de, requer grandes máquinas - os supercomputadores nas instalações do usuário do DOE Office of Science. Os programadores de E3SM escreveram o software para aproveitar ao máximo o hardware e os sistemas operacionais desses computadores. A equipe também está projetando para que eles possam atualizar o modelo para rodar nos futuros computadores exascale do DOE. Esses computadores serão 50 vezes mais poderosos do que os computadores mais rápidos de hoje.

Usando esses computadores, o modelo será capaz de fornecer muito mais detalhes do que os modelos anteriores do sistema terrestre. A equipe espera que o E3SM ofereça o dobro do nível de detalhe geral usando o novo supercomputador Summit do Oak Ridge Leadership Computing Facility (uma instalação do DOE Office of Science), em comparação com os modelos atuais. Dependendo da necessidade, também pode oferecer a mesma quantidade de detalhes gerais na maior parte do mundo, enquanto fornece resolução extremamente alta em áreas específicas. Esta resolução refinada regionalmente permitirá que os cientistas examinem os efeitos em uma base muito mais regional. Isso poderia ajudá-los a entender melhor as atividades humanas, como a agricultura, que variam de um lugar para outro.

Esse poder de computação também permitirá que eles executem 10 vezes mais simulações do que podem atualmente.

“Agora podemos fazer mais simulações usando menos recursos, "disse Mark Taylor, um cientista do DOE's Sandia National Laboratories e E3SM Chief Computational Scientist.

Executar o programa em computadores exascale permitirá saltos ainda maiores na complexidade e nos detalhes do modelo.

Como criar uma ferramenta que perscruta o futuro

Construir um modelo tão complicado é como reconstruir um carro. Você pode começar com o mesmo quadro, mas quando você ajustar algumas partes antigas, troque outros por novos, e fazer tudo funcionar em conjunto, parece e age de maneira completamente diferente.

Para começar, a equipe trabalhou com um modelo de sistema terrestre existente - o modelo de sistema terrestre comunitário.

O maior desafio com o Community Earth System Model - e todos os modelos de sistema terrestre existentes - é que existem áreas onde as simulações são consistentemente imprecisas. Embora sua modelagem corresponda amplamente às evidências, certos detalhes não correspondem exatamente às observações.

Infelizmente, esses problemas não têm uma solução simples.

"Não é como se você pudesse mudar uma coisa e isso corrige. Você muda uma coisa e geralmente piora outra porque o sistema está interconectado, "disse Bader. Assim como o sistema da Terra real.

Existem vários caminhos que os modeladores estão buscando para reduzir esses erros.

Revisar o modelo básico é o lugar mais lógico para começar. Os cientistas muitas vezes podem melhorar os modelos ajustando as equações da física e as teorias ecológicas baseadas em descobertas de pesquisas. Dados observacionais, como do DOE Office of Science's ARM Climate Research Facility, regularmente fornecem novos insights.

Trocando submodelos existentes por novos, os mais precisos são outra abordagem. A equipe E3SM empreendeu a enorme tarefa de desenvolver quatro submodelos completamente novos que representam rios, o oceano global, gelo marinho, e gelo terrestre.

"Existem processos que normalmente não foram representados em nenhum modelo de sistema terrestre em todo o mundo, "disse Leung, referindo-se ao modelo do rio. "Sem essas peças, estamos perdendo alguns dos elos importantes da energia global, agua, e ciclos biogeoquímicos. "

Mas adicionar esses novos modelos não é uma questão de recortar e colar. Os cientistas precisam conectá-los com precisão para que as mudanças em um afetem corretamente os outros.

p "Você substitui todos esses componentes e espera que este modelo funcione melhor do que antes. Mas não é pura sorte. Você realmente precisa voltar ao básico, "Leung disse.

Semelhante ao problema da "falta de água", a equipe enfrentou um desafio semelhante com seu modelo de oceano. Depois de substituí-lo, eles viram que todo o sistema terrestre não estava simulando o El Niño-Oscilação Sul, uma grande influência nos padrões climáticos. A equipe percebeu que os modelos da atmosfera e do oceano representavam a relação entre o movimento do vento e da água no oceano de forma diferente das observações. Para tornar os dois mais precisos, eles revisaram os processos para combiná-los.

Sempre melhorando, Sempre Experimentando

Todo esse trabalho árduo foi recompensado quando a equipe lançou a primeira versão do modelo em abril passado. Mas eles estão longe de terminar. Na verdade, eles esperam produzir pelo menos mais três versões no futuro.

Eles já estão melhorando o modelo atual, modificando os submodelos dentro dele. Pesquisadores publicaram um artigo que busca melhorar a forma como o modelo do rio representa as enchentes na Amazônia. Usando dados topográficos sobre canais de rios e informações sobre como a água flui entre a terra e o rio, eles foram capazes de tornar o submodelo mais preciso. Outro estudo descreve como o modelo do rio poderia mostrar melhor como e quando diferentes setores da sociedade usam as águas superficiais e subterrâneas.

Ao mesmo tempo, os cientistas estão usando o modelo atual para realizar uma série de experimentos. Quando eles terminam, eles vão liberar os "dados" do modelo no arquivo de dados do DOE Earth System Grid Federation com os resultados do modelo. O projeto também disponibilizou seu código publicamente por meio do popular site de programação GitHub.

Conforme o projeto continua, os cientistas estão trabalhando para ter uma visão mais clara do futuro de nossa Terra do que nunca.

"Todos esses modelos representam o conhecimento cumulativo que adquirimos nos últimos 40 anos, "disse Bader." Isso resultou em uma melhor compreensão e, portanto, na representação dos processos de energia e do sistema da Terra. É muito mais completo do que os modelos anteriores. "