O ciclo da água parece simples em teoria – mas os impactos humanos, as alterações climáticas e a geografia complicada significam que, na prática, as inundações e as secas continuam a ser difíceis de prever. Para modelar a água na Terra, você precisa de dados de resolução incrivelmente alta em uma extensão imensa e precisa de uma modelagem sofisticada o suficiente para levar em conta tudo, desde as camadas de neve nas montanhas até a umidade do solo nos vales. Agora, os cientistas deram um tremendo passo em frente ao construir os modelos mais detalhados criados até hoje.



"Simular a Terra em alta resolução é muito complexo e, portanto, basicamente a ideia é focar primeiro num alvo específico", disse o Dr. Luca Brocca, do Conselho Nacional de Pesquisa da Itália, principal autor do artigo publicado na Frontiers. em Ciências . "Essa é a ideia por trás do que desenvolvemos:estudos de caso de gêmeos digitais para o ciclo da água terrestre na Bacia do Mediterrâneo. Nosso objetivo é criar um sistema que permita que não especialistas, incluindo tomadores de decisão e cidadãos, executem simulações interativas."

Um ambiente de teste para o planeta

Na engenharia, um gêmeo digital é um modelo virtual de um objeto físico que pode ser testado até a destruição sem causar danos reais. Um gémeo digital da Terra, constantemente atualizado com novos dados, permitir-nos-ia simular os melhores e piores cenários, avaliar os riscos e acompanhar o desenvolvimento de condições perigosas antes que elas ocorressem. Essas informações são vitais para o desenvolvimento sustentável e para a proteção das populações vulneráveis.

Para construir os seus modelos de gémeos digitais, Brocca e os seus colegas aproveitaram volumes extraordinários de dados de satélite, combinando novos dados de observação da Terra que medem a humidade do solo, precipitação, evaporação, descarga de rios e profundidade da neve. Estes dados recentemente disponíveis, cruciais para o desenvolvimento dos modelos, incluem medições realizadas com muito mais frequência no espaço e no tempo:uma vez por quilómetro e uma vez por hora.

Como uma tela com mais pixels, esses dados de resolução mais alta criam uma imagem mais detalhada. Os cientistas usaram esses dados para desenvolver sua modelagem e, em seguida, integraram a modelagem em uma plataforma baseada em nuvem que pode ser usada para simulações e visualizações. Este é o objetivo final:uma ferramenta interativa que qualquer pessoa pode usar para mapear riscos como inundações e deslizamentos de terra e gerir recursos hídricos.

“Este projeto é um exemplo perfeito da sinergia entre missões de satélite de ponta e a comunidade científica”, disse Brocca. “Colaborações como esta, aliadas a investimentos em infraestruturas computacionais, serão cruciais para gerir os efeitos das alterações climáticas e outros impactos humanos.”

Ajudar as pessoas a planejar o futuro

Os cientistas começaram por modelar o vale do rio Pó e depois expandiram o gémeo digital para outras partes da bacia do Mediterrâneo. Os próximos projetos planeiam expandir-se para cobrir toda a Europa, e futuras colaborações permitirão que os mesmos princípios sejam aplicados em todo o mundo.

“A história começou com uma iniciativa da Agência Espacial Europeia”, disse Brocca. "Eu disse que deveríamos começar por algo que conhecemos muito bem. O vale do rio Pó é muito complexo - temos os Alpes, temos neve, que é difícil de simular, especialmente em terrenos irregulares e complexos como as montanhas. Depois, há o vale com todas as actividades humanas – indústria, irrigação. Depois temos um rio e eventos extremos – inundações, secas. E depois mudámos para o Mediterrâneo, que é um bom lugar para investigar eventos extremos, tanto para excesso como para pouca água.

O principal caso de uso da plataforma é melhorar a previsão de inundações e deslizamentos de terra e otimizar a gestão dos recursos hídricos. Para que isto funcione melhor a um nível mais local, serão necessários dados mais granulares e uma modelização mais sofisticada. Por exemplo, para maximizar o potencial de um gémeo digital para a agricultura, a resolução dos dados deve ser medida em dezenas de metros, não em centenas.

Incógnitas conhecidas

Persistem desafios adicionais. Estes incluem atrasos na transferência de dados de satélite para o modelo, a necessidade de mais observações terrestres para validar os dados de satélite e a complexidade crescente dos algoritmos necessários para lidar com os dados.

Além disso, nenhum modelo é perfeito e os dados de satélite podem conter erros:as incertezas devem ser devidamente caracterizadas para que os utilizadores tenham uma imagem precisa da fiabilidade do modelo. De acordo com Brocca, a inteligência artificial e o aprendizado de máquina terão um papel fundamental na superação desses desafios, melhorando a análise, coleta e velocidade de processamento de dados, além de agilizar a avaliação da qualidade dos dados.

“Os esforços colaborativos de cientistas, agências espaciais e tomadores de decisão prometem um futuro onde as Terras Gêmeas Digitais para hidrologia fornecerão insights inestimáveis ​​para a gestão sustentável da água e a resiliência a desastres”, concluiu Brocca.

Mais informações: Um gêmeo digital do ciclo terrestre da água:um vislumbre do futuro por meio de observações da Terra em alta resolução, Frontiers in Science (2024). DOI:10.3389/fsci.2023.1190191
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