La Unión Europea ha puesto en marcha dos programas para alcanzar la neutralidad climática en 2050: "Pacto Verde" y "Estrategia Digital".
Paralelamente, su iniciativa "Destination Earth", de diez años de duración, consistirá en crear un "gemelo" digital de la Tierra para trazar la evolución del clima.
Este modelo digital también se utilizará para predecir cómo afectarían determinados escenarios a la Tierra y para crear soluciones eficaces contra el cambio climático.
Para alcanzar la neutralidad climática en 2050, la Unión Europea puso en marcha dos ambiciosos programas: "Pacto Verde" y "Estrategia Digital". Como componente clave para su exitosa implementación, científicos del clima e informáticos lanzaron la iniciativa "Destination Earth", que comenzará a mediados de 2021 y que, según se prevé, durará hasta diez años. Durante este periodo, se creará un modelo digital de la Tierra altamente preciso, un gemelo digital de la Tierra, para trazar la evolución del clima y los eventos extremos con la mayor precisión posible en el espacio y el tiempo.
Los datos observacionales se incorporarán de forma continua al gemelo digital con el fin de hacer el modelo digital de la Tierra más preciso para supervisar la evolución y predecir posibles trayectorias futuras. Pero, además de los datos de observación utilizados convencionalmente para las simulaciones meteorológicas y climáticas, los investigadores también quieren integrar en el modelo nuevos datos sobre las actividades humanas pertinentes. El nuevo "modelo de sistema terrestre" representará de forma virtual, y con el mayor realismo posible, prácticamente todos los procesos que tienen lugar en la superficie terrestre, incluida la influencia humana en la gestión del agua, los alimentos y la energía, así como los procesos del sistema físico terrestre.
Sistema de información para la toma de decisiones
El gemelo digital de la Tierra pretende ser un sistema de información que desarrolle y pruebe escenarios que muestren un desarrollo más sostenible y, de este modo, sirvan de base para mejorar las políticas. "Si estás planificando un dique de dos metros de altura en los Países Bajos, por ejemplo, puedo revisar los datos de mi gemelo digital y comprobar si el dique seguirá protegiendo muy probablemente frente a los eventos extremos previstos para 2050", afirma Peter Bauer, director adjunto de Investigación del Centro Europeo de Previsiones Meteorológicas a Plazo Medio (ECMWF) y coiniciador de Destination Earth. El gemelo digital también se utilizará para la planificación estratégica del suministro de agua dulce y alimentos, así como de parques eólicos y plantas solares.
Las fuerzas impulsoras de Destination Earth son el ECMWF, la Agencia Espacial Europea (ESA) y la Organización Europea para la Explotación de Satélites Meteorológicos (EUMETSAT). Junto con otros científicos, Bauer impulsa los aspectos climáticos y meteorológicos del gemelo digital de la Tierra, pero también cuentan con los conocimientos técnicos de informáticos de la ETH de Zúrich y del Centro Nacional Suizo de Supercomputación (CSCS), concretamente los profesores de la ETH Torsten Hoefler, del Instituto de Sistemas de Computación de Alto Rendimiento, y Thomas Schulthess, director del CSCS.
Para dar este gran paso en la revolución digital, Bauer subraya la necesidad de que las ciencias de la Tierra se combinen con las ciencias de la computación. En una publicación reciente en Nature Computational Science, el equipo de investigadores de las ciencias de la Tierra y de la computación analiza qué medidas concretas desean aplicar para avanzar en esta "revolución digital de las ciencias del sistema terrestre", en qué ven los retos y qué posibles soluciones pueden encontrarse.
Modelos meteorológicos y climáticos como base
En su artículo, los investigadores repasan el desarrollo constante de los modelos meteorológicos desde la década de 1940, un éxito que se produjo sin hacer ruido. Los meteorólogos fueron, por así decirlo, pioneros en las simulaciones de procesos físicos en las mayores computadoras del mundo. Como físico e informático, Schulthess, del CSCS, está convencido de que los modelos meteorológicos y climáticos actuales son idóneos para identificar formas completamente nuevas en que muchas más disciplinas científicas puedan utilizar los supercomputadores de manera eficiente.
En el pasado, la modelización meteorológica y climática utilizaba enfoques diferentes para simular el sistema terrestre. Mientras que los modelos climáticos representan un conjunto muy amplio de procesos físicos, suelen descuidar los procesos a pequeña escala, que, sin embargo, son esenciales para las previsiones meteorológicas más precisas, las cuales, a su vez, se centran en un número menor de procesos. El gemelo digital reunirá ambos ámbitos y permitirá realizar simulaciones de alta resolución que representen los complejos procesos de todo el sistema terrestre. Pero, para lograrlo, los códigos de los programas de simulación deben adaptarse a nuevas tecnologías que prometen una potencia de cálculo mucho mayor.
Con los ordenadores y algoritmos disponibles hoy en día, las simulaciones altamente complejas apenas pueden llevarse a cabo con la resolución extremadamente alta prevista de un kilómetro, porque durante décadas el desarrollo de código se estancó desde la perspectiva de la informática. La investigación climática se benefició de poder obtener un mayor rendimiento mediante nuevas generaciones de procesadores sin tener que cambiar fundamentalmente sus programas. Esta mejora gratuita del rendimiento con cada nueva generación de procesadores se detuvo hace unos 10 años. Como resultado, los programas actuales a menudo solo pueden aprovechar el 5 por ciento del rendimiento máximo de los procesadores convencionales (CPU).
Para lograr las mejoras necesarias, los autores subrayan la necesidad del co-diseño, es decir, desarrollar hardware y algoritmos de forma conjunta y simultánea, como el CSCS demostró con éxito durante los últimos diez años. Sugieren prestar especial atención a las estructuras de datos genéricas, a la discretización espacial optimizada de la malla que debe calcularse y a la optimización de la longitud de los pasos temporales. Los científicos proponen, además, separar los códigos que resuelven el problema científico de los códigos que realizan de forma óptima el cálculo en la arquitectura de sistema correspondiente. Esta estructura de programa más flexible permitiría un cambio más rápido y eficiente a las arquitecturas futuras.
Aprovechar la inteligencia artificial
Los autores también ven un gran potencial en la inteligencia artificial (IA). Puede utilizarse, por ejemplo, para la asimilación de datos o el procesamiento de datos de observación, la representación de procesos físicos inciertos en los modelos y la compresión de datos. Así, la IA permite acelerar las simulaciones y filtrar la información más importante de grandes volúmenes de datos. Además, los investigadores suponen que el uso del aprendizaje automático no solo hace que los cálculos sean más eficientes, sino que también puede ayudar a describir los procesos físicos con mayor precisión.
Los científicos consideran que su documento estratégico es un punto de partida en el camino hacia un gemelo digital de la Tierra. Entre las arquitecturas informáticas disponibles hoy y las previstas para el futuro cercano, los superordenadores basados en unidades de procesamiento gráfico (GPU) parecen ser la opción más prometedora. Los investigadores calculan que el funcionamiento de un gemelo digital a plena escala requeriría un sistema con unas 20.000 GPU, que consumiría una potencia estimada de 20 MW. Por razones tanto económicas como ecológicas, dicha computadora debería funcionar en un lugar donde haya electricidad generada de forma neutra en CO2 y disponible en cantidades suficientes.
