Treballant cap a un bessó digital de la Terra

En les pròximes dècades, s’espera que el creixement de la població i les activitats humanes amplifiquin les pressions actuals sobre recursos crítics com l’aigua dolça i els aliments, intensifiquin l’estrès als ecosistemes terrestres i marins, així com augmentin la contaminació ambiental i els seus impactes sobre la salut i la biodiversitat.

Aquestes amenaces, que inclouen l’augment del nivell del mar, l’augment de l’acidificació de l’oceà i esdeveniments extrems més intensos com les inundacions i les ones de calor, hauran de ser vigilades de prop, especialment per a les nostres poblacions més vulnerables.

Respondent a aquests reptes, l’ESA es va reunir al Edició 2020 de la Φ-setmana discutir com l’observació de la Terra pot contribuir a la creació d’un bessó digital de la Terra: una rèplica digital dinàmica del nostre planeta que imita amb precisió el comportament de la Terra.

S’alimenta constantment amb dades d’observació de la Terra, combinades amb in situ de mesures i intel·ligència artificial, Digital Twin Earth ajudarà a visualitzar i predir l’activitat natural i humana al planeta. El model serà capaç de controlar la salut del planeta, realitzar simulacions del sistema interconnectat de la Terra amb el comportament humà i ajudar a donar suport a les polítiques ambientals europees.

Al setembre de 2020, l’ESA va llançar-ne diverses Activitats de precursor digital Twin Earth explorar alguns dels principals reptes científics i tècnics per construir un bessó digital de la Terra. Aquestes activitats van incloure: Bosc, Hidrologia, Antàrtida, Sistemes alimentaris, Espais calents oceànics i climàtics.

Cada activitat va abordar un repte científic, tècnic i operatiu diferent en relació amb Digital Twin Earth, incloent el paper de la intel·ligència artificial i les dades consistents, la credibilitat científica del compromís de les parts interessades i el paper dels models sectorials i la infraestructura de les tecnologies de la informació i la comunicació (ITC).

A la setmana Φ d’aquest any, experts de la comunitat van presentar els resultats de les activitats de l’any passat.

Digital Twin Antàrtida

L’Antàrtida és un important embassament d’aigua dolça de la paraula, amb un enorme potencial per contribuir a l’augment del nivell del mar en el futur. Els models actuals de capa de gel presenten diferències i desviacions importants entre els models, així com una forta variabilitat en zones inestables.

Per tant, és necessari un bessó digital de l’Antàrtida. Noel Gourmelen, de la Universitat d’Edimburg, va comentar: “Aprofitant observacions per satèl·lit, simulacions numèriques i intel·ligència artificial, hem construït un bessó del sistema de capa de gel antàrtic, la seva hidrologia, oceà, atmosfera i biosfera circumdants. Hem utilitzat el bessó antàrtic per rastrejar el parador de l’aigua fosa sobre i sota la capa de gel i per explorar com es fonen les plataformes de gel fronteres sota diversos escenaris d’hidrologia “.

Digital Twin Food Systems

El bessó digital Food Systems simula les activitats agrícoles i les interaccions dins dels ecosistemes diàriament. Es poden executar diferents models per separat per a cada unitat de simulació, en funció del sistema de gestió de cultius, aigua i reg.

Chandra Taposea, de CGI IT UK Lt, va dir: “Digital Twin Earths i l’abast que estem intentant assolir són vitals per ajudar-nos a assolir el següent pas en la presa de sentits i en la presa de decisions i poder ajudar tant els usuaris individuals com responsables polítics a gran escala. El nostre Twin Systems Digital Twin ha aconseguit integrar models de diferents dominis, veient com la precipitació extrema afectaria els models de cultius mundials, però no sense els seus assajos i tribulacions “.

Digital Twin Hydrology

Luca Brocca, del National Research Council, Itàlia, explica què implica el bessó digital Hydrology: “En el projecte ESA Digital Twin Earth Hydrology, hem desenvolupat una reconstrucció 4D de la hidrologia dinàmica a una resolució sense precedents mitjançant la integració de l’observació de la Terra i sistema de modelatge. El prototip d’hidrologia DTE s’ha utilitzat per a la gestió dels recursos hídrics i per identificar ubicacions i moments de risc d’esllavissades i inundacions a la conca del riu Po, al nord d’Itàlia. “

Digital Twin Climate Impacts

The Twin Impacts Digital Twin permetrà als responsables de decisions, sense coneixements tècnics experts, generar i visualitzar, en temps real, informació rellevant per a les decisions relacionada amb els impactes regionalitzats del canvi climàtic.

Robert Parker, de la Universitat de Leicester, va dir: “El nostre Twin Twin Digital Climate Impact Explorer, centrat inicialment en la sequera africana, utilitza una combinació innovadora d’observació de la Terra, modelatge ambiental i aprenentatge automàtic per aportar capacitats de suport a la presa de decisions directament als nostres grups d’interès.

“Emulant aquests complexos models i implementant-los com a eines ràpides i senzilles basades en el núvol, el nostre prototip ajuda a democratitzar l’accés a aquests sistemes experts, donant a les parts interessades la possibilitat d’explorar possibles respostes a la sequera impulsades pel clima”.

Digital Twin Forest

Matti Motus, científic principal de VTT, explica com funciona el bessó digital bessó: “Aquest bessó digital serà un bessó digital especialitzat de la Terra, que proporcionarà una reconstrucció del sistema forestal a nivells de detall no possibles amb models genèrics de superfície terrestre. L’observació de la Terra basada en satèl·lits, especialment les dades de Sentinel Copernicus d’alta qualitat, ens permet obtenir informació única i uniforme per a tots els boscos del planeta.

“Traduir això en una comprensió de l’estructura forestal i impulsar models de funcionament dels boscos requereix mesures locals, que són molt més disperses i heterogènies. Al projecte precursor, hem après a superar aquests obstacles i proporcionar prediccions de creixement i balanç de carboni per a diferents boscos d’Europa. Ara sabem que tenim les eines bàsiques i la potència informàtica per construir un bessó digital de boscos completament funcional. Ha estat un viatge molt emocionant, però exigent, sobretot tenint en compte que es va implementar plenament durant les restriccions relacionades amb Covid “.

Digital Twin Ocean

Aquest Digital Twin Ocean se centrarà en explorar el potencial de la intel·ligència artificial per aprendre directament de les seves dades, del passat i del comportament del sistema terrestre per predir el futur per predir esdeveniments oceànics.

Betrand Chapron, d’IFREMER, va dir: “El projecte Digital Twin Ocean aborda dos fenòmens molt diferents en dues conques oceàniques molt contrastades: les ones mecàniques al mar Mediterrani i la dinàmica del gel marí per ajudar a avaluar l’amplificació de l’Àrtic. En poques paraules, es van seguir dues estratègies.

“El primer va ser l’enfocament basat en dades, on les dades augmentades per un model operatiu numèric assimilant regularment les dades s’utilitzen per impulsar capacitats per visualitzar i analitzar les recurrències dels sistemes dinàmics oceànics-atmosfèrics i l’enfocament basat en el model, on molt simulacions numèriques elevades, augmentades per dades de mostreig irregular, s’utilitzen per avaluar les grans escales i les conseqüències a llarg termini de les escales petites. ”