De snel veranderende Arctische kustgebieden van de aarde hebben een buitenmaats klimaateffect dat over de hele wereld weerklinkt. Het volgen van processen achter deze evolutie is zelfs voor de beste wetenschappers een ontmoedigende taak.

Kustlijnen zijn enkele van de meest dynamische gebieden ter wereld:plaatsen waar zee, aards, atmosferisch en menselijk handelen ontmoeten elkaar. Maar de Arctische kustgebieden worden geconfronteerd met de meest verontrustende problemen van door de mens veroorzaakte klimaatverandering door toenemende uitstoot van broeikasgassen, zegt Los Alamos National Laboratory (LANL) wetenschapper Andrew Roberts.

"Arctische kustsystemen zijn erg kwetsbaar, " zegt Robert, die leiding geeft aan het high-performance computersysteemelement van een bredere inspanning van het Department of Energy (DOE) Office of Science, onder leiding van het kantoor voor Biologisch en Milieuonderzoek (BER), om veranderende arctische kustomstandigheden te simuleren. "Tot de laatste decennia, dik, overblijvend Arctisch zee-ijs lijkt over het algemeen stabiel te zijn geweest. Nutsvoorzieningen, opwarming van de aarde zorgt ervoor dat het smelt."

In 1980, meerjarig ijs van minstens vier jaar oud was goed voor meer dan 30 procent van de Arctische dekking; dat is vandaag geslonken tot niet veel meer dan 1 procent. Terwijl dat eeuwige pakijs rond het noordpoolgebied circuleert, een ander type dat bekend staat als landsnel ijs - verankerd aan een kustlijn of de oceaanbodem, fungeert als een drijvende landuitbreiding - trekt zich terug naar de kust als gevolg van stijgende temperaturen.

Hierdoor worden kustgebieden blootgesteld aan schadelijke golven die ijs kunnen verspreiden en kustpermafrost kunnen aantasten, zegt Roberts.

Onderzoekers hebben aangetoond dat de omvang van het zee-ijs in het Noordpoolgebied in september elk decennium met ongeveer 13 procent afneemt. terwijl het noordpoolgebied meer dan twee keer zo snel opwarmt als de rest van de planeet - wat wetenschappers 'arctische versterking' noemen.

Veranderingen in het Arctische zee-ijs en het smelten van landijs kunnen de zogenaamde wereldwijde oceaantransportband verstoren die water rond de planeet laat circuleren en helpt het klimaat te stabiliseren, meldt Roberts. De stroom beweegt koud, gespannen, zout water van de polen naar de tropische oceanen, die er warm water voor terugsturen.

Het noordpoolgebied zit nu vast in een verlammende feedbacklus:zee-ijs kan 80 procent of meer van het zonlicht de ruimte in reflecteren, maar de meedogenloze achteruitgang veroorzaakt steeds grotere gebieden met donkere, open oceaan om zijn plaats in de zomer in te nemen en meer dan 90 procent van het middagzonlicht te absorberen, leidt tot meer opwarming.

Roberts en zijn collega's plagen uit hoe de vermindering van het poolijs en de stijging van de Arctische temperaturen overstromingen beïnvloeden, mariene biogeochemie, Verzending, winning van natuurlijke hulpbronnen en verlies van leefgebieden van wilde dieren. Het team beoordeelt ook de effecten van klimaatverandering op traditionele gemeenschappen, waar antropogene opwarming weerpatronen beïnvloedt en jachtgebieden en infrastructuur zoals gebouwen en wegen beschadigt.

Arctische permafrost - bevroren grond - ontdooit snel als gevolg van een opwarmend klimaat. Sommige wetenschappers voorspellen dat ongeveer 2,5 miljoen vierkante mijl van deze grond - ongeveer 40 procent van het wereldtotaal - tegen het einde van de eeuw zou kunnen verdwijnen en gigantische hoeveelheden krachtige broeikasgassen zou kunnen vrijgeven. inclusief methaan, kooldioxide en waterdamp.

Het totale onderzoeksproject, het door BER gesponsorde Interdisciplinair Onderzoek voor Arctische Kustomgevingen (InteRFACE), onder leiding van Joel Rowland, ook van LANL, en is een multi-institutionele samenwerking die andere nationale laboratoria en universiteiten omvat. Roberts heeft toezicht gehouden op de computationele aspecten van het DOE-project die hebben geprofiteerd van 650, 000 node-uren aan supercomputertijd in 2020 bij het National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) in het Lawrence Berkeley National Laboratory.

De berekeningen voor de Arctische kust gebruikten de Cori van NERSC, een Cray XC40-systeem met 700, 000 verwerkingskernen die 30 duizend biljoen drijvende-kommabewerkingen per seconde kunnen uitvoeren.

De LANL-onderzoekers, met collega's van vele andere nationale laboratoria, hebben vertrouwd op en hebben bijgedragen aan de ontwikkeling van een geavanceerde, door DOE ondersteunde onderzoekstool genaamd het Energy Exascale Earth System Model (E3SM), waardoor ze supercomputersimulatie en gegevensbeheer kunnen gebruiken om veranderingen in Arctische kustsystemen beter te begrijpen. De activiteiten van InterRFACE dragen bij aan de ontwikkeling van E3SM en profiteren van de bredere ontwikkeling ervan.

E3SM brengt de sfeer in beeld, oceaan, land- en zee-ijs - inclusief de massa- en energieveranderingen daartussen - in hoge resolutie, driedimensionale modellen, het concentreren van Cori's rekenkracht op kleine regio's van groot belang. De wetenschappers hebben rasterachtige mazen van driehoekige cellen gemaakt in de zee-ijs- en oceaancomponenten van E3SM om de kustlijnen van de regio met hoge betrouwbaarheid te reproduceren.

"Een van de grote vragen is wanneer smeltend zee-ijs de Noordelijke IJszee het hele jaar door bevaarbaar zal maken, " zegt Roberts. Hoewel regerings- en commerciële schepen - zelfs cruiseschepen - de afgelopen zomers door de Noordwestelijke Passage in de Canadese archipel hebben kunnen manoeuvreren, tegen 2030 zou de regio gedurende vele maanden van het jaar routinematig bevaarbaar kunnen zijn als het zee-ijs snel blijft smelten, hij zegt.

De ontwikkeling van E3SM zal onderzoekers helpen beter te begrijpen in hoeverre de noordwestelijke doorgang bevaarbaar is in vergelijking met traditionele rechthoekige mazen die worden gebruikt in veel klimaatmodellen met een lagere resolutie, Roberts merkt op.

E3SM biedt resolutie op weerschaal, dat wil zeggen gedetailleerd genoeg om fronten vast te leggen, stormen, en orkanen - en gebruikt geavanceerde computers om aspecten van de variabiliteit van de aarde te simuleren. De code helpt onderzoekers te anticiperen op veranderingen op tienjarige schaal die de komende jaren van invloed kunnen zijn op de Amerikaanse energiesector.

"Als we de rekenkracht hadden, we zouden overal ter wereld simulaties met hoge resolutie willen hebben, "zegt hij. "Maar dat is ongelooflijk duur om te ondernemen."

Ethan Coon, een Oak Ridge National Laboratory-wetenschapper en een mede-onderzoeker van een gerelateerd project, ondersteund door de Leadership Computing Challenge (ALCC) van het DOE Advanced Scientific Computing Research (ASCR) programma, zegt dat de opwarming van het land in het verre noorden "de Arctische hydrologische cyclus transformeert, en we zien significante veranderingen in rivier- en stroomafvoer." Het ALCC-programma wijst supercomputertijd toe aan DOE-projecten die de nadruk leggen op risicovolle, simulaties met hoge uitbetalingen en dat verbreedde de onderzoeksgemeenschap.

Coon, een alumnus van de DOE Computational Science Graduate Fellowship, zegt dat opwarming de paden van rivieren en beken verandert. Terwijl ontdooiende permafrost lager onder het oppervlak zakt, grondwater stroomt dieper onder de grond en blijft kouder als het in beken stroomt, wat mogelijk gevolgen heeft voor vissen en andere dieren in het wild.

Wat er op het land gebeurt, heeft een grote impact op de oceaan, Robbert is het daarmee eens. Eindelijk, hij zegt, "We hebben eindelijk de mogelijkheid om kustgebieden echt te verfijnen en hun fysieke processen te simuleren."