دانشمندان در مسیر ساخت دوقلوی دیجیتال بسیار دقیق زمین

اتحادیه‌ی اروپا برای اینکه تا سال ۲۰۵۰ ازنظر اقلیمی خنثی شود، دو برنامه‌ی بلندپروازانه راه‌اندازی کرده است: «گرین‌دیل» و «دیجیتال‌استراتژی». دانشمندان به‌عنوان یکی از عناصر مهم اجرای موفق برنامه‌هایشان، ابتکار دستینیشن ارث را راه‌اندازی کردند که در اواسط ۲۰۲۱ آغاز می‌شود و انتظار می‌رود دَه سال ادامه داشته باشد. در این مدت، مدل دیجیتالی بسیار دقیقی از زمین، یعنی دوقلوی دیجیتالی، از زمین ایجاد می‌شود تا تحولات اقلیمی و رویدادهای شدید را با حداکثر دقت ممکن در فضا و زمان مشخص کند.

داده‌های مشاهده‌ای به‌طور‌مداوم در دوقلوی دیجیتالی گنجانده می‌شود تا مدل دیجیتالی زمین درزمینه‌ی پایش تحولات و پیش‌بینی مسیرهای احتمالی آینده دقیق‌تر عمل کند. علاوه‌بر داده‌های مشاهده‌ای که به‌طور‌متداول برای شبیه‌سازی‌های آب‌و‌هوایی کوتاه‌مدت و بلندمدت استفاده می‌شود، پژوهشگران می‌خواهند داده‌های مربوط به فعالیت‌های انسانی مرتبط را نیز وارد مدل کنند. مدل جدید سیستم زمین تقریبا تمامی فرایندهای روی سطح زمین، ازجمله تأثیر انسان‌ها روی مدیریت انرژی، غذا، آب و فرایندهای موجود در سیستم فیزیکی زمین را تاحدممکن به‌شکل واقعی نشان خواهد داد.

سیستم اطلاعاتی برای تصمیم‌گیری

قرار است دوقلوی دیجیتال زمین سیستم اطلاعاتی باشد که سناریوهایی را ایجاد و آزمایش کند که نشان‌دهنده‌ی توسعه‌ی پایدارتر هستند و به ایجاد سیاست‌های بهتر کمک می‌کنند. پیتر بائر، معاون بخش تحقیقات مرکز اروپایی پیش‌بینی میان‌مدت وضع هوا (ECMWF) می‌گوید: «برای مثال، اگر می‌خواهید در هلند آب‌بندی به ارتفاع دو متر بسازید، می‌توانم با استفاده از اطلاعات دوقلوی دیجیتالی خود بررسی کنم که آیا این سد دربرابر رویدادهای شدید موردانتظار سال ۲۰۵۰ همچنان محافظت می‌کند.» دوقلوی دیجیتال مذکور برای برنامه‌ریزی استراتژیک آب شیرین و ذخایر غذایی یا مزارع بادی و نیروگاه‌های خورشیدی نیز استفاده خواهد شد.

نیروهای حامی ابتکار دستینیشن ارث عبارت‌اند از: ECMWF و آژانس فضایی اروپا (ESA) و سازمان اروپایی بهره‌برداری از ماهواره‌های هواشناسی (EUMETSAT). بائر به‌همراه دانشمندان دیگر در حال هدایت جنبه‌های اقلیمی و هواشناسی دوقلوی دیجیتال زمین هستند و از دانسته‌های دانشمندان مؤسسه‌ی فناوری فدرال زوریخ و مرکز ملی ابرمحاسبات سوئیس (CSCS) نیز بهره خواهند برد.

بائر به‌منظور برداشتن این گام بزرگ در انقلاب دیجیتال، بر ایجاد پیوند میان علوم زمین و علوم کامپیوتر تأکید می‌کند. در مقاله‌ای که اخیرا در مجله‌ی Nature Computational Science منتشر شده است، گروهی از پژوهشگران علوم زمین و کامپیوتر در‌این‌باره بحث کرده‌اند که برای پیشبرد این تحول دیجیتالی علوم سیستم زمین به چه اقداماتی نیاز است و مشکلات و راه‌حل‌های احتمالی آن‌ها کدام است.

_{دوقلوی دیجیتال زمین قرار است سیستم زمین را به‌طورجامع و با وضوح چشمگیر شبیه‌سازی و به‌عنوان ابزاری برای هدایت اقدامات سازش دربرابر تغییرات اقلیمی عمل کند}

مدل‌های آب‌و‌هوایی به‌عنوان مبنا

پژوهشگران در مقاله‌‌شان توسعه‌ی پیوسته‌ی مدل‌های آب‌و‌هوایی را از دهه‌ی ۱۹۴۰ در کانون توجه قرار می‌دهند. این داستان موفقیتی است که بی سروصدا اتفاق افتاد. هواشناسان پیش‌گام شبیه‌سازی‌های فرایندهای فیزیکی روی بزرگ‌ترین کامپیوترهای جهان بودند. توماس شولتس، مدیر مرکز ملی ابرمحاسبات سوئیس و دانشمند علوم کامپیوتر و فیزیک، معتقد است که مدل‌های آب‌و‌هوایی و اقلیمی کنونی برای شناسایی روش‌های کاملا جدید برای بسیاری از رشته‌های علمی دیگر درزمینه‌ی استفاده‌ی بهینه از سوپرکامپیوترها مناسب هستند.

در گذشته، مدل‌سازی آب‌و‌هوا و اقلیم از رویکردهای متفاوتی برای شبیه‌سازی سیستم زمین استفاده می‌کردند. درحالی‌که مدل‌های اقلیمی مجموعه‌ی بسیار گسترده‌ای از فرایندهای فیزیکی را نشان می‌دهند، معمولا از فرایندهای کوچک چشم‌پوشی می‌کنند. این در حالی است که توجه به این فرایندها برای پیش‌بینی‌های دقیق‌تر آب‌و‌هوا ضروری است. دوقلوی دیجیتال این دو حوزه را گردهم خواهد آورد و شبیه‌سازی‌های با وضوح چشمگیر را ممکن می‌سازد که فرایندهای پیچیده کل سیستم زمین را به‌تصویر خواهد کشید. برای دستیابی به این هدف، کدهای برنامه‌های شبیه‌سازی با فناوری‌های جدیدی باید تطابق پیدا کنند که قدرت محاسباتی فراوانی را به‌ارمغان می‌آورند.

با کامپیوترها و الگوریتم‌های امروز به‌سختی می‌توان شبیه‌سازی‌های بسیار پیچیده را در وضوح درخورتوجه برنامه‌ریزی‌شده‌ی یک کیلومتر انجام داد؛ زیرا چندین دهه است که توسعه‌ی کدهای کامپیوتری راکد مانده است. پژوهش‌های اقلیمی از مزیت قابلیت بهره‌برداری از عملکرد بهتر حاصل از نسل جدید پردازنده‌ها بدون نیاز به ایجاد تغییر اساسی در برنامه بهره‌مند می‌شدند. این افزایش عملکرد رایگان که با معرفی هر نسل پردازنده‌ی جدید به‌دست می‌آمد، حدود دَه سال پیش متوقف شد؛ درنتیجه، برنامه‌های امروزی اغلب می‌توانند فقط از ۵ درصد از اوج عملکرد پردازنده‌های معمولی (CPU) استفاده کنند.

نویسندگان تأکید می‌کنند برای دستیابی به پیشرفت‌های لازم به طراحی مشترک نیاز است؛ یعنی باید توسعه‌ی سخت‌افزار و الگوریتم‌ها هم‌زمان انجام شود. همچنین، دانشمندان پیشنهاد می‌کنند که کدهای به‌کاررفته برای حل مسائل علمی از کدهایی ازهم جدا شوند که محاسبات معماری سیستم را انجام می‌دهد. چنین ساختار انعطاف‌پذیری انتقال سریع‌تر و کارآمدتر به معماری‌های آینده را ممکن می‌سازد.

بهره‌مندی از هوش مصنوعی

پژوهشگران قابلیت عظیم هوش مصنوعی را نیز در نظر می‌گیرند. برای مثال، هوش مصنوعی می‌تواند برای جذب داده یا پردازش داده‌های مشاهده‌ای و نمایش فرایندهای فیزیکی نامطمئن در مدل‌ها و فشرده‌سازی داده‌ها استفاده شود. بنابراین، هوش مصنوعی به شبیه‌سازی‌ها سرعت می‌دهد و استخراج مهم‌ترین اطلاعات را از میان داده‌ها‌ی زیاد ممکن می‌سازد. علاوه‌براین، پژوهشگران تصور می‌کنند استفاده از یادگیری ماشین نه‌تنها موجب افزایش بازده محاسبات می‌شود؛ بلکه می‌تواند به توصیف دقیق‌تر فرایندهای فیزیکی نیز کمک کند.

دانشمندان مقاله‌ی راهبردی خود را به‌عنوان نقطه‌ی آغاز مسیر رسیدن به دوقلوی دیجیتال زمین می‌دانند. در میان معماری‌های کامیپوتر موجود و آنچه در آینده‌ی نزدیک موردانتظار است، سوپرکامپیوترهای مبتنی‌بر واحد پردازش گرافیکی (GPU) امیدوارکننده‌ترین گزینه به‌نظر می‌رسند. پژوهشگران تخمین می‌زنند اجرای یک دوقلوی دیجیتال در مقیاس کامل به سیستمی با حدود ۲۰ هزار GPU نیاز دارد که حدود ۲۰ مگاوات انرژی مصرف خواهد کرد. به‌دلایل اقتصادی و اکولوژیکی، چنین کامپیوتری باید در محلی کار کند که در آن، برق تولیدشده به روش‌های خنثی ازنظر کربن‌دی‌اکسید به‌میزان کافی دردسترس باشد.