De aarde verloor blijkbaar water.

Ruby Leung, een wetenschapper van het Department of Energy's (DOE) Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), en haar team waren verbijsterd door hun resultaten.

"We zagen de zeespiegel in een alarmerend tempo dalen, " ze zei.

Gelukkig, ze keken alleen naar een virtuele aarde. Ze realiseerden zich al snel dat er fouten waren in het computermodel van het aardesysteem dat ze aan het ontwikkelen waren. Wetenschappers gebruiken deze computerprogramma's om het heden te visualiseren en in de toekomst te kijken. Ze moeten zo dicht mogelijk in de buurt komen van het modelleren van hoe de systemen van de aarde in het echte leven functioneren. Omdat de echte aarde water ronddraait maar het nooit verliest, het model ook niet.

Het identificeren van het probleem was eenvoudig. Het repareren was het niet. Er zijn honderden variabelen in het model die de watercyclus kunnen beïnvloeden. De exacte lokaliseren en wijzigen zonder een nieuwe onnauwkeurigheid te creëren, kan uren of dagen werk vergen. Op dit moment, het model stuurde niet alle waterstromen van het land naar de oceaan. In aanvulling, het atmosferische model verloor een zeer kleine hoeveelheid water bij elke tijdstap, wat nogal wat optelde. Het probleem oplossen, Leung en collega's veranderden het model om water te besparen.

Het oplossen van dit probleem was slechts een van de vele uitdagingen waarmee het team te maken kreeg bij het ontwikkelen van de nieuwe software van DOE:het Energy Exascale Earth System Model (E3SM). Door veel van de systemen en interacties van de aarde gedetailleerder weer te geven dan ooit tevoren, ze hopen wetenschappers te helpen onze planeet vandaag en in de toekomst beter te begrijpen.

Een veranderende aarde begrijpen

De aarde is altijd geweest en zal altijd veranderen. Maar menselijke activiteiten versnellen die veranderingen en men is het er algemeen over eens dat de mondiale temperatuur stijgt. Hoewel wetenschappers in grote lijnen kunnen voorspellen hoe stijgende temperaturen onze wereld zullen beïnvloeden, beleidsmakers en planners moeten begrijpen wat er met individuele steden en staten zal gebeuren. Dat is waar modellen van het aardse systeem in het spel komen.

DOE is geïnteresseerd in het begrijpen hoe energieproductie de systemen van de aarde kan beïnvloeden en vice versa. Hoewel energieproductie de klimaatverandering kan versnellen, stijgende temperaturen kunnen ook van invloed zijn op de productie en het gebruik van energie. Een gebrek aan water kan de output van een waterkrachtcentrale verminderen of het beschikbare water voor het koelen van kerncentrales beperken.

"DOE en zijn voorgangers hebben altijd een missie gehad om de milieugevolgen van energieproductie en -gebruik te begrijpen, " zei David Bader, een wetenschapper bij het Lawrence Livermore National Laboratory van DOE en teamleider van E3SM. "We weten dat het klimaat- en aardesysteem niet stationair is, het verandert. We hebben een manier nodig om de interacties te begrijpen."

De reikwijdte van de modellen van het aardsysteem maakt ze uniek. Wetenschappers bouwen een verscheidenheid aan softwareprogramma's om verschillende natuurlijke systemen te simuleren, maar modellen van het aardse systeem brengen ze allemaal samen. Ze laten zien hoe deze individuele systemen - de atmosfeer, bodem, oceaan, ijskappen, en meer:​​interactie. Ze omvatten ook veel aspecten van menselijke activiteit, zoals de producten van de energieproductie, waterbeheer en gebruik, en landbouwbeheer, evenals andere veranderingen in landgebruik of landbedekking.

Deze combinaties helpen wetenschappers het huidige en toekomstige samenspel tussen de natuurlijke wereld en menselijke activiteiten te begrijpen. Om ervoor te zorgen dat een model het heden correct weergeeft, ze vergelijken gemodelleerde resultaten met real-life observaties. De voorspellingen die tientallen jaren in de toekomst kijken, helpen mensen die bruggen of energiecentrales plannen, te begrijpen hoe hun langetermijnkeuzes van invloed kunnen zijn op of worden beïnvloed door deze veranderingen.

Een model dat draait om energie

Terwijl er maar één aarde is, er zijn veel modellen van het aardsysteem. De E3SM-teamleden hebben hun model ontworpen om vragen te beantwoorden die relevant zijn voor de missie van DOE.

Een van de heilige graal als het gaat om energieplanning is kunnen voorspellen hoe en wanneer regen, sneeuw, en andere neerslag valt over land. Veranderingen in klimaat en landgebruik kunnen het vermogen van de atmosfeer om vocht vast te houden vergroten en ervoor zorgen dat stormen vaker en intenser optreden. In tegenstelling tot, het kan ook leiden tot meer verdamping, met als gevolg meer droogte. Of hoogstwaarschijnlijk, beide kunnen op verschillende plaatsen in de wereld voorkomen.

Het nieuwe model richt zich op drie gebieden die significante effecten hebben op oppervlakteneerslag, winden, en temperatuur en energieproductie:de watercyclus, de manier waarop verschillende componenten van het aardsysteem biogeochemische fluxen uitwisselen, en de beweging en het smelten van ijskappen.

"Om neerslag te voorspellen, je moet bijna elk ander deel van het aardse systeem echt begrijpen, "zei Leung. "De sfeer speelt de rol van het verbinden van alles. De sfeer is niet lokaal."

Het combineren van deze systemen in één model en het verkrijgen van het benodigde detailniveau is niet iets dat u op uw desktopcomputer kunt doen. In plaats daarvan, het vereist de grote machines - de supercomputers bij de gebruikersfaciliteiten van het DOE Office of Science. E3SM-programmeurs schreven de software om optimaal te profiteren van de hardware en besturingssystemen van deze computers. Het team ontwerpt het ook zodat ze het model kunnen upgraden om te draaien op de toekomstige exascale-computers van DOE. Deze computers zullen 50 keer krachtiger zijn dan de snelste computers van vandaag.

Met behulp van deze computers, het model zal veel meer details kunnen bieden dan eerdere modellen van het aardsysteem. Het team verwacht dat E3SM twee keer het niveau van algemeen detail zal bieden met behulp van de nieuwe supercomputer Summit van de Oak Ridge Leadership Computing Facility (een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit), vergeleken met de huidige modellen. Afhankelijk van de behoefte, het kan in het grootste deel van de wereld ook dezelfde hoeveelheid algemene details bieden, terwijl het in specifieke gebieden een extreem hoge resolutie biedt. Deze regionaal verfijnde resolutie stelt wetenschappers in staat om effecten op een veel regionalere basis te bekijken. Dat zou hen kunnen helpen om menselijke activiteiten beter te begrijpen, zoals landbouw, die van plaats tot plaats verschillen.

Met deze rekenkracht kunnen ze ook 10 keer zoveel simulaties uitvoeren als ze nu kunnen.

"We kunnen nu meer simulaties doen met minder middelen, " zei Mark Taylor, een wetenschapper bij DOE's Sandia National Laboratories en E3SM Chief Computational Scientist.

Als u het programma op exascale-computers uitvoert, kunt u nog grotere sprongen maken in de complexiteit en detail van het model.

Hoe maak je een tool die in de toekomst past?

Zo'n ingewikkeld model bouwen is als het herbouwen van een auto. Je zou kunnen beginnen met hetzelfde frame, maar tegen de tijd dat je wat oude onderdelen afstemt, ruil anderen voor nieuwe, en het geheel samen laten werken, het ziet er totaal anders uit en gedraagt ​​zich anders.

Om te beginnen, het team werkte met een bestaand aardesysteemmodel - het Community Earth System Model.

De grootste uitdaging met het Community Earth System Model - en alle bestaande Earth-systeemmodellen - is dat er gebieden zijn waar simulaties consequent onnauwkeurig zijn. Hoewel hun modellering in grote lijnen overeenkomt met het bewijsmateriaal, bepaalde details komen niet helemaal overeen met waarnemingen.

Helaas, deze problemen hebben geen eenvoudige oplossing.

"Het is niet zo dat je één ding kunt veranderen en het corrigeert. Je verandert één ding en je maakt iets anders meestal erger omdat het systeem met elkaar verbonden is, "zei Bader. Net als het echte systeem van de aarde.

Er zijn verschillende wegen die modelbouwers volgen om deze fouten te verminderen.

Het herzien van het basismodel is de meest logische plek om te beginnen. Wetenschappers kunnen modellen vaak verbeteren door de natuurkundige vergelijkingen en ecologische theorieën die zijn gebaseerd op onderzoeksresultaten aan te passen. Observationele gegevens, zoals van de ARM Climate Research Facility van het DOE Office of Science, regelmatig nieuwe inzichten opleveren.

Bestaande submodellen verwisselen voor nieuwe, nauwkeuriger is een andere benadering. Het E3SM-team nam de enorme taak op zich om vier afzonderlijke, volledig nieuwe submodellen voor rivieren, de mondiale oceaan, zee ijs, en landijs.

"Er zijn processen die normaal niet zijn weergegeven in een model van het aardse systeem over de hele wereld, " zei Leung, verwijzend naar het riviermodel. "Zonder deze onderdelen, we missen enkele van de belangrijke schakels in de wereldwijde energie, water, en biogeochemische cycli."

Maar het toevoegen van deze nieuwe modellen is geen kwestie van knippen en plakken. Wetenschappers moeten ze nauwkeurig met elkaar verbinden, zodat veranderingen in de ene de andere correct beïnvloeden.

"Je vervangt al deze componenten en je hoopt dat dit model beter zal werken dan voorheen. Maar het is geen puur geluk. Je moet echt terug naar de basis, ' zei Leung.

Net als bij het probleem "ontbrekend water", het team stond voor een vergelijkbare uitdaging met hun oceaanmodel. Nadat ze het hadden vervangen, ze zagen dat het volledige aardsysteem niet de El Nino-Zuidelijke Oscillatie simuleerde, een grote invloed op weerpatronen. Het team realiseerde zich dat de atmosfeer- en oceaanmodellen de relatie tussen de wind en de waterbeweging in de oceaan anders weergeven dan waarnemingen. Om beide nauwkeuriger te maken, ze herzagen de processen om ze op elkaar af te stemmen.

Steeds beter, Ooit geëxperimenteerd

Al dit harde werk werd beloond toen het team afgelopen april de eerste versie van het model uitbracht. Maar ze zijn nog lang niet klaar. In feite, ze verwachten in de toekomst nog minstens drie versies te produceren.

Ze verbeteren het huidige model al door de submodellen erin aan te passen. Onderzoekers hebben een paper gepubliceerd waarin wordt onderzocht hoe het riviermodel de overstromingen in de Amazone kan weergeven. Door gebruik te maken van topografische gegevens over rivierkanalen en informatie over hoe water stroomt tussen land en rivier, ze waren in staat om het submodel nauwkeuriger te maken. Een andere studie beschrijft hoe het riviermodel beter zou kunnen laten zien hoe en wanneer verschillende sectoren van de samenleving oppervlakte- en grondwater gebruiken.

Tegelijkertijd, wetenschappers gebruiken het huidige model om een ​​reeks experimenten uit te voeren. Als ze klaar zijn, ze zullen de model-"gegevens" vrijgeven in het DOE Earth System Grid Federation-gegevensarchief van modelresultaten. Het project heeft zijn code ook openbaar gemaakt via de populaire programmeerwebsite GitHub.

Naarmate het project vordert, wetenschappers werken eraan om een ​​duidelijker beeld te krijgen van de toekomst van onze aarde dan ooit tevoren.

"Al deze modellen vertegenwoordigen de cumulatieve kennis die we de afgelopen 40 jaar hebben opgedaan, " zei Bader. "Dat heeft geresulteerd in zowel een beter begrip als een beter beeld van zowel energie- als aardse systeemprocessen. Het is veel completer dan eerdere modellen."