O primeiro Modelo de Sistema Terrestre desenvolvido e baseado na África está criando uma das modulações mais confiáveis ​​e detalhadas das mudanças climáticas.

O que é necessário para recriar a Terra? Alguns milhares de linhas de código, acrescente alguns dados de todas as estações meteorológicas do mundo, e um supercomputador.

Adicione a essa mistura um desenvolvedor especialista de modelos climáticos como o Professor Francois Engelbrecht do Wits Global Change Institute e você terá o primeiro Modelo do Sistema Terrestre desenvolvido e baseado na África, que deve contribuir para o Projeto de Intercomparação Modelo Acoplado Fase Seis do Programa Mundial de Pesquisa do Clima (CMIP6).

Engelbrecht, que ingressou no Wits em janeiro de 2019, depois de trabalhar no Conselho de Pesquisa Científica e Industrial (CSIR) por uma década, está trabalhando para construir um modelo matemático da Terra, incluindo tudo o que é atmosférico, oceânico, processos do ciclo da terra e do carbono e suas interações, a fim de ser capaz de projetar os impactos das mudanças climáticas futuras na África e em todo o mundo. Para este fim, ele está trabalhando em estreita colaboração com cientistas da Organização de Pesquisa Científica e Industrial da Commonwealth (CSIRO) na Austrália, o CSIR na África do Sul, a Universidade da Cidade do Cabo (UCT) e a Universidade de Venda.

"Codificar faz parte da minha vida. Eu codifico todos os dias, "diz Engelbrecht, que é um dos poucos desenvolvedores de modelos climáticos que existem.

Como construir um modelo do sistema terrestre

Construir um modelo do sistema terrestre não é uma tarefa simples. Para fazer isso, Engelbrecht precisa processar dados de 50 camadas da atmosfera da Terra, que tem aproximadamente 50km de profundidade; o oceano da superfície ao fundo, dividido em 30 camadas e o terreno, dividido em seis camadas para simular a umidade e temperatura do solo.

Um modelo de sistema terrestre fornece uma amostra numérica de todos os processos físicos que ocorrem no sistema tridimensional acoplado oceano-atmosfera-terra. Ele também precisa incluir a química do oceano e da atmosfera, incluindo os efeitos que o ciclo do carbono tem no sistema climático.

“Tanto o oceano quanto a terra são grandes sumidouros (absorvedores) de carbono. Também existem processos naturais que liberam dióxido de carbono na atmosfera. Precisamos ver como esses processos funcionam e modelar como o ciclo do carbono impactará o clima no futuro em a presença de aumento das emissões de dióxido de carbono proveniente de nossa dependência de combustíveis fósseis para energia, "diz Engelbrecht.

Um modelo do sistema terrestre é baseado em um conjunto de equações matemáticas que descrevem como a Terra muda ao longo do tempo para mudar a força radiativa (por exemplo, concentrações crescentes de dióxido de carbono). Isso é, quando as leis da física são aplicadas à atmosfera, obtém-se um conjunto de equações diferenciais parciais. Essas equações podem ser resolvidas numericamente para obter uma imagem de nosso clima futuro.

"No momento em que você trabalha com esses tipos de dados e matemática numérica, você precisa de um supercomputador para processá-lo, "diz Engelbrecht.

"O modelo matemático divide a atmosfera em várias camadas, e a Terra em pontos de grade horizontais. Quanto maior o computador, quanto mais pontos de grade você pode adicionar, o que torna o modelo mais preciso. "

Acessando o poder dos supercomputadores

Engelbrecht apenas nos últimos anos obteve acesso a um supercomputador com poder de processamento suficiente para realizar essas simulações computacionalmente caras e processar uma enorme quantidade de dados. Este é o cluster Lengau do Centro de Computação de Alto Desempenho (CHPC) do Departamento de Ciência e Tecnologia com sede em Rosebank, Cidade do Cabo. Uma única simulação climática requer o uso de centenas a milhares de processadores no cluster, aplicado em paralelo para resolver as intrincadas equações do sistema terrestre.

Mesmo nos supercomputadores mais rápidos do mundo, a resolução espacial dos Modelos do Sistema Terrestre permanece limitada a cerca de 100 km na horizontal. Em um desenvolvimento recente, Engelbrecht e seus colegas também estão entrando no mundo da Inteligência Artificial, para utilizar algoritmos especialmente projetados que podem representar os detalhes mais sutis do sistema em escalas espaciais não resolvidas diretamente pelo Modelo do Sistema Terrestre.

"Tradicionalmente, a representação de processos em escala fina em Modelos do Sistema Terrestre era baseada em estatísticas convencionais informadas por observações de campo de como os processos em escala fina se relacionam com as características de fluxo em grande escala do oceano e da atmosfera. O aprendizado de máquina permite mais complexidade e portanto, relações mais realistas a serem formuladas entre recursos de fluxo em escala fina e em escala maior no sistema climático, "Engelbrecht afirma.

Engelbrecht, que fez seu Ph.D. Mestre em meteorologia numérica na Universidade de Pretória lidera o desenvolvimento do modelo global do oceano aplicado ao Modelo do Sistema Terrestre. O CSIRO fornece ao sistema sofisticados modelos globais atmosféricos e de superfície terrestre, enquanto o CSIR está fornecendo e desenvolvendo o modelo do ciclo do carbono e a química atmosférica aplicada ao Modelo do Sistema Terrestre.

A fim de descrever um estado inicial do oceano e da atmosfera para o Modelo do Sistema Terrestre, Engelbrecht e seus colegas usam informações de estações meteorológicas de todo o mundo, que é compilado e compartilhado por meio da Organização Meteorológica Mundial.

Engelbrecht destaca que entender o clima e o ciclo do carbono do Oceano Antártico e a dinâmica do gelo marinho da Antártica e das camadas de gelo é fundamental para a projeção confiável das mudanças climáticas futuras.

"O Oceano Antártico é um grande sumidouro de carbono, e nós (África do Sul, através do Observatório de Carbono e Clima do Oceano Antártico (SOCCO) do CSIR), tem o melhor conhecimento do mundo sobre a química e a física do Oceano Antártico, o que torna nosso modelo do sistema terrestre incrivelmente relevante para o resto do mundo, "diz Engelbrecht." Nosso modelo é construído através das lentes do Oceano Antártico e dos processos climáticos africanos. "O SOCCO do CSIR e o Instituto de Ciências Marinhas da UCT são, portanto, parceiros importantes no desenvolvimento do Modelo do Sistema Terrestre.

"Um projeto do Programa de Pesquisa Científica do Sistema Terrestre da Fundação Nacional de Pesquisa (ESSRP) está proporcionando um impulso inicial importante para esta colaboração, "diz Engelbrecht.

Construir um modelo do sistema terrestre é uma tarefa totalmente interdisciplinar, envolvendo especialistas de uma variedade de campos, incluindo climatologistas, oceanógrafos, ecologistas, matemáticos, físicos, químicos e cientistas da computação. A Engelbrecht pretende atrair cada vez mais especialistas em todas essas áreas para trabalharem juntos na construção e melhoria do Modelo do Sistema Terrestre de base africana.

"Uma das razões pelas quais vim para o Wits foi expor o processo de desenvolvimento do Modelo do Sistema Terrestre a colegas com experiência em oceanografia, climatologia, matemática numérica, computação de alto desempenho e inteligência artificial para que possamos colaborar e contribuir conjuntamente para este campo verdadeiramente multidisciplinar. Já reunimos no GCI e nas Escolas Wits do GAES e APES um forte grupo de alunos de pós-graduação que terão a oportunidade de trabalhar neste campo multidisciplinar emocionante, enquanto contribuem com seu pensamento inovador para o Modelo do Sistema Terrestre, " ele diz.

“Estamos criando uma das modulações mais confiáveis ​​e detalhadas da mudança climática para a África. Se pudermos projetar com segurança nossos prováveis ​​futuros da mudança climática na África, então podemos estimar os riscos para aspectos como a segurança da água, agricultura, biodiversidade, e saúde humana, e tomar medidas oportunas por meio de projetos de adaptação e mitigação das mudanças climáticas. "