Вчені зробили «цифрового двійника» Землі, щоб імітувати можливі стихійні лиха

Вчені хочуть змоделювати різні кліматичні умови, щоб допомогти запобігти реальним ризикам для життя нашої планети. Ми всі пам’ятаємо з початкової школи – це кругообіг води. Навіть якщо ви не пам’ятаєте, що саме ви навчилися, у вас, ймовірно, є спогади про якесь відео чи діаграму, які були настільки яскравими та креативними, що зробили день трохи веселішим. Для деяких із нас (включаючи мене) це важко забути. Навіть у дорослому світі здається акуратним і простим думати про три компоненти водного циклу, які, як нібито каламбур, споліскують і повторюють: випаровування, конденсація та опади. 

Наша планета не могла б вижити без води, речовини, яка становить 71% усієї поверхні нашої планети, а її океани містять приблизно 97% цієї цифри. Проте процес може стати досить складним, коли ви змішуєтеся з постійними змінами клімату, спричиненими людською діяльністю, наприклад спалюванням вугілля, а також іншими щоденними впливами, які ми чинимо як суспільство. Як синоптик, я знаю, з якими труднощами ми стикаємося, коли справа доходить до прогнозування стихійних лих, пов’язаних із водою, включаючи повені, зсуви та посухи. 

Але для того, щоб вчені могли зробити найточніші прогнози та краще зрозуміти, як працює цей цикл, нам потрібно отримати та переглянути моделі, які містять якомога більше даних високої роздільної здатності. В ідеалі ці дані також повинні охоплювати кожен дюйм планети, від її найвищих гірських вершин до води, захованої глибоко в землі.

І завдяки фінансуванню, наданому Європейським космічним агентством, вчені будують саме це: цифрового двійника Землі та всієї її чудової води, яку можна досліджувати.

«Моделювання Землі з високою роздільною здатністю є дуже складним, тому в основному ідея полягає в тому, щоб спочатку зосередитися на конкретній цілі», — сказав у заяві Лука Брокка з Національної дослідницької ради Італії. «Це ідея, що лежить в основі того, що ми розробили — цифрові подвійні тематичні дослідження кругообігу земної води в Середземноморському басейні. Наша мета — створити систему, яка дозволить неекспертам, включаючи осіб, які приймають рішення, і громадян, запускати інтерактивне моделювання».

Брокка, який був провідним автором докладної статті про дослідження, працював з колегами над створенням цифрового двійника. Завдяки цій моделі вчені можуть послідовно вводити нові дані для моделювання найкращого та найгіршого сценаріїв стихійного лиха в різних середовищах нашої планети. Наприклад, відтворюючи зсув, пов’язані з ним ризики та умови можна відстежувати так, ніби це відбувалося в режимі реального часу. Це може додатково допомогти підготуватися до потенційно руйнівних подій у майбутньому на основі того, що було отримано під час кожного тесту. 

Отже, як створюються ці моделі? 

Вченим знадобилося багато праці, щоб зібрати якомога більше супутникових даних, зібраних завдяки численним спостереженням Землі. Потім вони об’єднали вимірювання вологості ґрунту, опадів, глибини снігу, випаровування та річкового стоку, зроблені в певні проміжки часу, щоб намалювати чітку картину динаміки змінних по всій планеті. Потім дані високої роздільної здатності моделі можна використовувати як інтерактивний інструмент для вчених.

«Цей проект є чудовим прикладом синергії між передовими супутниковими місіями та науковою спільнотою», — сказав Брокка. «Таке співробітництво в поєднанні з інвестиціями в обчислювальну інфраструктуру матиме вирішальне значення для управління наслідками зміни клімату та інших впливів людини». 

Як і для будь-якого типу моделі, для досягнення досконалості потрібна практика. Але з чогось треба починати. 

Брокка та його колеги використовували цифрового близнюка для моделювання долини річки По в Північній Італії та інших частинах Середземноморського басейну для початку; вони планують на майбутнє створити подібні моделі по всій Європі, перш ніж співпрацювати з вченими з інших континентів. Основна мета цього проекту – допомогти передбачити, де можуть статися повені та зсуви, і навчитися краще управляти водними ресурсами. 

«Ми повинні почати з того, що ми дуже добре знаємо», — сказав Брокка. «Долина річки По дуже складна — у нас є Альпи, у нас є сніг, який важко імітувати, особливо на нерівній і складній місцевості, як-от гори. Потім є долина з усією людською діяльністю — промисловістю, зрошенням. Потім ми є річка та екстремальні явища — повені, посухи. А потім ми переїхали до Середземного моря, яке є гарним місцем для дослідження екстремальних явищ як із занадто великою, так і з малою кількістю води».

Хоча моделювання команди зосереджено на регіоні більшого масштабу, є також плани розглянути більш локалізовані дослідження. Але наразі вчені продовжують зосереджуватися на найбільших і найпостійніших проблемах у своєму механізмі. Наприклад, складні алгоритми, які вони розробили, потребуватимуть догляду, оскільки значні обсяги даних продовжуватимуть додаватися; вони також кажуть, що потрібно більше наземних спостережень, щоб продовжувати перевіряти супутникові дані, які вони використовували. 

У тому ж ключі, щоб боротися з будь-якою невизначеністю, яка може виникнути під час використання супутникових даних, Брокка сподівається включити штучний інтелект у свою програму, щоб згладити деякі з перегинів. У певному сенсі ШІ діяв би як додатковий набір очей, якщо його справді можна добре навчити. Як ми бачили з використанням штучного інтелекту в моделях погоди, таких як ті, що стосуються прогнозів лісових пожеж, переваги такої співпраці включають мінімізацію помилок, які іноді можуть виникати через зміни атмосферних умов під час зйомки зображень. Впровадження ШІ також може заощадити час, дозволяючи інженерам-людям зосередитися на інших проблемних сферах.

«Спільні зусилля вчених, космічних агентств і осіб, які приймають рішення, обіцяють майбутнє, в якому цифрові Землі-близнюки для гідрології нададуть безцінні знання щодо сталого управління водними ресурсами та стійкості до катастроф», — сказав Брокка.