Een digitale tweeling van onze planeet moet in de toekomst het aardsysteem simuleren. Het is bedoeld om beleidsmakers te ondersteunen bij het nemen van passende maatregelen om zich beter voor te bereiden op extreme gebeurtenissen. Een nieuwe strategienota van Europese wetenschappers en ETH Zürich computerwetenschappers laat zien hoe dit kan worden bereikt.

Om in 2050 klimaatneutraal te zijn, de Europese Unie heeft twee ambitieuze programma's gelanceerd:Green Deal en DigitalStrategy. Als een belangrijk onderdeel van hun succesvolle implementatie, klimaatwetenschappers en computerwetenschappers lanceerden het Destination Earth-initiatief, die medio 2021 van start gaat en naar verwachting een looptijd heeft van maximaal tien jaar. Gedurende deze periode, er moet een zeer nauwkeurig digitaal model van de aarde worden gemaakt, een digitale tweeling van de aarde, klimaatontwikkeling en extreme gebeurtenissen zo nauwkeurig mogelijk in ruimte en tijd in kaart te brengen.

Observationele gegevens zullen continu worden opgenomen in de digitale tweeling om het digitale aardemodel nauwkeuriger te maken voor het volgen van de evolutie en het voorspellen van mogelijke toekomstige trajecten. Maar naast de waarnemingsgegevens die conventioneel worden gebruikt voor weer- en klimaatsimulaties, de onderzoekers willen ook nieuwe gegevens over relevante menselijke activiteiten in het model integreren. Het nieuwe aardsysteemmodel zal vrijwel alle processen op het aardoppervlak zo realistisch mogelijk weergeven, inclusief de invloed van de mens op het water, voedsel- en energiebeheer, en de processen in het fysieke aardesysteem.

Informatiesysteem voor besluitvorming

De digitale tweeling van de aarde is bedoeld als een informatiesysteem dat scenario's ontwikkelt en test die een duurzamere ontwikkeling laten zien en zo het beleid beter informeren. "Als je een twee meter hoge dijk in Nederland plant, bijvoorbeeld, Ik kan de gegevens in mijn digitale tweeling doornemen en kijken of de dijk in 2050 naar alle waarschijnlijkheid nog zal beschermen tegen verwachte extreme gebeurtenissen, " zegt Peter Bauer, plaatsvervangend directeur Onderzoek bij het European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) en mede-initiatiefnemer van Destination Earth. De digitale tweeling zal ook worden gebruikt voor strategische planning van zoetwater- en voedselvoorziening of windparken en zonne-energiecentrales.

De drijvende krachten achter Destination Earth zijn de ECMWF, het Europees Ruimteagentschap (ESA), en de Europese Organisatie voor de exploitatie van meteorologische satellieten (EUMETSAT). Samen met andere wetenschappers, Bauer drijft de klimaatwetenschap en meteorologische aspecten van de digitale tweeling van de aarde aan, maar ze vertrouwen ook op de knowhow van computerwetenschappers van ETH Zürich en het Swiss National Supercomputing Center (CSCS), namelijk ETH-hoogleraren Torsten Hoefler, van het Instituut voor High Performance Computing Systems, en Thomas Schulthess, Directeur van het CCS.

Om deze grote stap in de digitale revolutie te zetten, Bauer benadrukt de noodzaak voor aardwetenschappen om te trouwen met de informatica. In een recente publicatie in Natuur Computational Science , het team van onderzoekers uit de aard- en informatica bespreekt met welke concrete maatregelen zij deze "digitale revolutie van de aardsysteemwetenschappen, " waar zij de uitdagingen zien en welke mogelijke oplossingen hiervoor gevonden kunnen worden.

Weer- en klimaatmodellen als basis

In hun krant de onderzoekers kijken terug op de gestage ontwikkeling van weermodellen sinds de jaren veertig, een succesverhaal dat zich in stilte afspeelde. Meteorologen pionierden, bij wijze van spreken, simulaties van fysieke processen op 's werelds grootste computers. Als natuurkundige en informaticus, Schulthess van CSCS is er dan ook van overtuigd dat de huidige weer- en klimaatmodellen bij uitstek geschikt zijn om voor veel meer wetenschappelijke disciplines volledig nieuwe manieren te identificeren om supercomputers efficiënt te gebruiken.

Vroeger, weer- en klimaatmodellering gebruikten verschillende benaderingen om het aardsysteem te simuleren. Terwijl klimaatmodellen een zeer brede reeks fysische processen vertegenwoordigen, ze negeren doorgaans kleinschalige processen, die, echter, zijn essentieel voor de nauwkeurigere weersvoorspellingen die op hun beurt focus op een kleiner aantal processen. De digitale tweeling brengt beide gebieden samen en maakt simulaties met hoge resolutie mogelijk die de complexe processen van het hele aardsysteem weergeven. Maar om dit te bereiken, de codes van de simulatieprogramma's moeten worden aangepast aan nieuwe technologieën die veel meer rekenkracht beloven.

Met de computers en algoritmen die vandaag beschikbaar zijn, de zeer complexe simulaties kunnen nauwelijks worden uitgevoerd met de geplande extreem hoge resolutie van één kilometer, omdat decennia lang code-ontwikkeling stagneerde vanuit een informatica-perspectief. Klimaatonderzoek profiteerde van de mogelijkheid om hogere prestaties te behalen door nieuwe generaties processors zonder hun programma fundamenteel te hoeven veranderen. Deze gratis prestatiewinst bij elke nieuwe processorgeneratie stopte ongeveer 10 jaar geleden. Als resultaat, de huidige programma's kunnen vaak maar 5 procent van de topprestaties van conventionele processors (CPU's) gebruiken.

Om de nodige verbeteringen te realiseren, de auteurs benadrukken de noodzaak van co-design, d.w.z. het samen en gelijktijdig ontwikkelen van hardware en algoritmen, zoals CSCS de afgelopen tien jaar met succes heeft aangetoond. Ze stellen voor om bijzondere aandacht te besteden aan generieke datastructuren, geoptimaliseerde ruimtelijke discretisatie van het te berekenen raster en optimalisatie van de tijdstaplengtes. De wetenschappers stellen verder voor om de codes voor het oplossen van het wetenschappelijke probleem te scheiden van de codes die de berekening optimaal uitvoeren op de respectieve systeemarchitectuur. Deze flexibelere programmastructuur zou een snellere en efficiëntere omschakeling naar toekomstige architecturen mogelijk maken.

Profiteren van kunstmatige intelligentie

Ook in kunstmatige intelligentie (AI) zien de auteurs grote potentie. Het kan gebruikt worden, bijvoorbeeld, voor gegevensassimilatie of de verwerking van waarnemingsgegevens, de weergave van onzekere fysieke processen in de modellen en datacompressie. AI maakt het dus mogelijk om de simulaties te versnellen en de belangrijkste informatie uit grote hoeveelheden data te filteren. Aanvullend, de onderzoekers gaan ervan uit dat het gebruik van machine learning niet alleen de berekeningen efficiënter maakt, maar kan ook helpen om de fysieke processen nauwkeuriger te beschrijven.

De wetenschappers zien hun strategiedocument als een startpunt op weg naar een digitale tweeling van de aarde. Onder de computerarchitecturen die vandaag beschikbaar zijn en die in de nabije toekomst worden verwacht, supercomputers op basis van grafische verwerkingseenheden (GPU) lijken de meest veelbelovende optie. De onderzoekers schatten dat het bedienen van een digitale tweeling op volledige schaal een systeem zou vereisen met ongeveer 20, 000 GPU's, verbruiken naar schatting 20MW aan stroom. Om zowel economische als ecologische redenen, zo'n computer moet worden gebruikt op een locatie waar CO ₂ -neutrale opgewekte elektriciteit is in voldoende hoeveelheden beschikbaar.