As rápidas mudanças nas regiões costeiras árticas da Terra têm um efeito climático desproporcional que ecoa por todo o globo. Rastrear os processos por trás dessa evolução é uma tarefa difícil, mesmo para os melhores cientistas.

Litorais são algumas das áreas mais dinâmicas do planeta - lugares marinhos, terrestre, as ações atmosféricas e humanas se encontram. Mas as regiões costeiras do Ártico enfrentam os problemas mais preocupantes da mudança climática causada pelo homem devido ao aumento das emissões de gases de efeito estufa, diz o cientista do Laboratório Nacional de Los Alamos (LANL) Andrew Roberts.

"Os sistemas costeiros do Ártico são muito frágeis, "diz Roberts, que lidera o elemento de sistemas de computação de alto desempenho de um esforço mais amplo do Office of Science do Departamento de Energia (DOE), liderado por seu escritório de Pesquisa Biológica e Ambiental (BER), para simular as mudanças nas condições costeiras do Ártico. "Até as últimas décadas, Grosso, o gelo marinho perene do Ártico parece ter sido geralmente estável. Agora, o aquecimento das temperaturas está causando o derretimento. "

Nos anos 1980, gelo plurianual com pelo menos quatro anos foi responsável por mais de 30% da cobertura do Ártico; que diminuiu para não muito mais do que 1 por cento hoje. Considerando que essa camada de gelo perene circula pelo Ártico, outro tipo conhecido como gelo rápido em terra - ancorado na costa ou no fundo do oceano, atuando como uma extensão de terra flutuante - está recuando em direção à costa devido ao aumento das temperaturas.

Isso expõe as regiões costeiras a ondas prejudiciais que podem dispersar o gelo e erodir o permafrost costeiro, Roberts diz.

Os pesquisadores mostraram que a extensão do gelo marinho do Ártico em setembro está diminuindo cerca de 13 por cento a cada década, já que o Ártico se aquece duas vezes mais rápido que o resto do planeta - o que os cientistas chamam de "amplificação do Ártico".

Mudanças no derretimento do gelo marinho do Ártico e do gelo terrestre podem interromper a chamada correia transportadora oceânica global que circula a água ao redor do planeta e ajuda a estabilizar o clima, Relatórios Roberts. O riacho esfria, denso, água salgada dos pólos aos oceanos tropicais, que enviam água quente em troca.

O Ártico agora está preso em um ciclo de feedback incapacitante:o gelo marinho pode refletir 80 por cento ou mais da luz solar para o espaço, mas seu declínio implacável causa áreas cada vez maiores de escuridão, oceano aberto para tomar seu lugar no verão e absorver mais de 90 por cento da luz solar do meio-dia, levando a mais aquecimento.

Roberts e seus colegas mostram como as reduções no gelo do Ártico e os aumentos nas temperaturas do Ártico afetam as inundações, biogeoquímica marinha, envio, extração de recursos naturais e perda de habitat da vida selvagem. A equipe também avalia os efeitos das mudanças climáticas nas comunidades tradicionais, onde o aquecimento antropogênico afeta os padrões climáticos e danifica áreas de caça e infraestrutura, como edifícios e estradas.

O permafrost ártico - solo congelado - está descongelando rapidamente devido ao aquecimento do clima. Alguns cientistas prevêem que cerca de 2,5 milhões de milhas quadradas deste solo - cerca de 40 por cento do total mundial - pode desaparecer até o final do século e liberar quantidades gigantescas de potentes gases de efeito estufa, incluindo metano, dióxido de carbono e vapor de água.

O projeto de pesquisa geral, a Pesquisa Interdisciplinar para Ambientes Costeiros do Ártico patrocinado pelo BER (InteRFACE), liderado por Joel Rowland, também do LANL, e é uma colaboração multi-institucional que inclui outros laboratórios e universidades nacionais. Roberts supervisionou os aspectos computacionais do projeto DOE que se beneficiaram de 650, 000 horas-nó de tempo de supercomputação em 2020 no National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) no Lawrence Berkeley National Laboratory.

Os cálculos da costa ártica usaram Cori do NERSC, um sistema Cray XC40 com 700, 000 núcleos de processamento que podem realizar 30 mil trilhões de operações de ponto flutuante por segundo.

Os pesquisadores do LANL, com colegas de muitos outros laboratórios nacionais, confiaram e contribuíram para o desenvolvimento de uma sofisticada ferramenta de pesquisa apoiada pelo DOE chamada Energy Exascale Earth System Model (E3SM), permitindo que eles usem simulação de supercomputador e gerenciamento de dados para entender melhor as mudanças nos sistemas costeiros do Ártico. As atividades do InteRFACE contribuem para o desenvolvimento do E3SM e se beneficiam de seu desenvolvimento mais amplo.

E3SM retrata a atmosfera, oceano, terra e gelo marinho - incluindo as mudanças de massa e energia entre eles - em alta resolução, modelos tridimensionais, concentrando o poder de computação do Cori em pequenas regiões de grande interesse. Os cientistas criaram malhas em forma de grade de células triangulares no gelo marinho e nos componentes do oceano do E3SM para reproduzir os litorais da região com alta fidelidade.

"Uma das grandes questões é quando o derretimento do gelo marinho tornará o Oceano Ártico navegável o ano todo, "Roberts diz. Embora navios governamentais e comerciais - até navios de cruzeiro - tenham conseguido manobrar através da Passagem do Noroeste do Arquipélago Canadense nos últimos verões, em 2030, a região poderá ser navegável rotineiramente por muitos meses do ano se o derretimento do gelo do mar continuar rapidamente, ele diz.

O desenvolvimento do E3SM ajudará os pesquisadores a entender melhor o quanto a Passagem do Noroeste é navegável em comparação com as malhas retangulares tradicionais usadas em muitos modelos climáticos de baixa resolução, Notas de Roberts.

E3SM apresenta resolução de escala climática, ou seja, detalhado o suficiente para capturar frentes, tempestades, e furacões - e usa computadores avançados para simular aspectos da variabilidade da Terra. O código ajuda os pesquisadores a prever mudanças em escala decadal que podem influenciar o setor de energia dos EUA nos próximos anos.

"Se tivéssemos o poder de computação, gostaríamos de ter simulações de alta resolução em todo o mundo, "ele diz." Mas isso é incrivelmente caro de fazer. "

Ethan Coon, um cientista do Oak Ridge National Laboratory e um co-investigador de um projeto relacionado, apoiado pelo programa do DOE Advanced Scientific Computing Research (ASCR), Leadership Computing Challenge (ALCC), diz que o aquecimento da terra no extremo norte "está transformando o ciclo hidrológico do Ártico, e estamos vendo mudanças significativas na descarga de rios e córregos. "O programa ALCC aloca tempo de supercomputador para projetos DOE que enfatizam o alto risco, simulações de alto retorno e que ampliaram a comunidade de pesquisa.

Coon, um ex-aluno do DOE Computational Science Graduate Fellowship, diz que o aquecimento está alterando os caminhos dos rios e riachos. À medida que o degelo do permafrost afunda abaixo da superfície, a água subterrânea corre mais profundamente no subsolo e permanece mais fria à medida que flui para os riachos - potencialmente afetando peixes e outros animais selvagens.

O que acontece em terra tem um grande impacto no oceano, Roberts concorda. Finalmente, ele diz, "finalmente temos a capacidade de realmente refinar as regiões costeiras e simular seus processos físicos."