p 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 de cientistas europeus e cientistas da computação da ETH Zurich mostra como isso pode ser alcançado. p Para se tornar neutro 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 terá início 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.

p 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 desejam integrar no modelo novos dados sobre atividades humanas relevantes. O novo modelo do sistema terrestre representará virtualmente todos os processos na superfície da Terra da forma mais realista possível, incluindo a influência dos humanos na água, gestão de alimentos e energia, e os processos no sistema físico da Terra.

p Sistema de informação para tomada de decisão

p 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 provavelmente ainda protegerá contra eventos extremos esperados em 2050, "diz 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.

p As forças motrizes por trás do Destino Terra são o ECMWF, a Agência Espacial Europeia (ESA), e a Organização Europeia para a Exploração de Satélites Meteorológicos (EUMETSAT). Junto com outros cientistas, Bauer está conduzindo a ciência do clima e os aspectos meteorológicos do gêmeo digital da Terra, mas também contam com o know-how de cientistas da computação da ETH Zurich e do Swiss National Supercomputing Center (CSCS), a saber, os professores da ETH, Torsten Hoefler, do Institute for High Performance Computing Systems, e Thomas Schulthess, Diretor do CSCS.

p 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 em Nature Computational Science , a equipe de pesquisadores da terra e ciências da computação discute quais medidas concretas eles gostariam de usar para fazer avançar esta "revolução digital das ciências do sistema terrestre, "onde eles veem os desafios e quais as possíveis soluções que podem ser encontradas.

p Modelos de tempo e clima como base

p Em seu jornal, os pesquisadores analisam o desenvolvimento constante de modelos meteorológicos desde a década de 1940, uma história de sucesso que aconteceu silenciosamente. Os meteorologistas foram os pioneiros, por assim dizer, 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.

p No passado, modelagem de tempo e clima usou diferentes abordagens para simular o sistema terrestre. Considerando que os modelos climáticos representam um conjunto muito amplo de processos físicos, eles normalmente negligenciam os processos de pequena escala, que, Contudo, são essenciais para as previsões meteorológicas mais precisas que, por sua vez, foco 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 maior poder de computação.

p Com os computadores e algoritmos disponíveis hoje, as simulações altamente complexas dificilmente podem ser realizadas na extremamente alta resolução 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).

p 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.

p Lucrando com inteligência artificial

p Os autores também vêem um grande potencial em inteligência artificial (IA). Isso pode ser usado, por exemplo, para assimilação de dados ou processamento de dados de observação, a 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. Adicionalmente, os pesquisadores presumem que o uso de aprendizado de máquina não só torna os cálculos mais eficientes, mas também pode ajudar a descrever os processos físicos com mais precisão.

p 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 aquelas esperadas no futuro próximo, 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 potência. Por razões econômicas e ecológicas, tal computador deve ser operado em um local onde CO ₂ - eletricidade gerada neutra está disponível em quantidades suficientes.