Criar um gêmeo digital da Terra é um sonho antigo dos cientistas, mas ainda apresenta desafios.
Simulador da Terra
Há mais de uma década, cientistas falam em criar um simulador da Terra inteira, para tentar ampliar o entendimento sobre o que acontece no planeta, incluindo as forças ambientais e as ações humanas.
A ideia agora foi reativada conforme a União Europeia estabeleceu dois programas para tentar tornar o continente neutro em carbono por volta de 2050.
Os defensores do simulador da Terra estão tentando incluir o que eles agora chamam de "Destino Terra" dentro do programa "Estratégia Digital" - o outro programa chama-se "Grande Objetivo".
A proposta é criar uma primeira versão de um gêmeo digital da Terra em 10 anos, com capacidade para mapear o clima e eventos extremos com a maior precisão possível no espaço (resolução de um quilômetro) e no tempo (resolução de um dia) - um gêmeo digital é uma réplica digital de uma entidade física viva ou não viva.
Os dados observacionais serão continuamente incorporados ao simulador digital, a fim de tornar o modelo da Terra mais preciso para monitorar a evolução e prever possíveis trajetórias futuras. Mas, além dos dados de observação convencionalmente usados para simulações de tempo e clima, os pesquisadores querem integrar novos dados sobre atividades humanas relevantes no modelo.
A ideia é que o novo modelo do sistema terrestre represente virtualmente todos os processos na superfície terrestre da forma mais realista possível, incluindo a influência dos humanos na gestão da água, alimentos e energia, e os processos no sistema físico terrestre, antevê o professor Peter Bauer, defensor do projeto.
A super-simulação exigirá progressos científicos e tecnológicos, sobretudo na área de programação e na arquitetura dos supercomputadores.
[Imagem: Peter Bauer et al. - 10.1038/s43588-021-00023-0]
Desafios de software e de hardware
Para que seja possível criar uma simulação da Terra inteira, no entanto, os especialistas reconhecem que será necessário empreender uma verdadeira revolução no desenvolvimento dos softwares de simulação e seu casamento com hardwares especializados.
Com os computadores e algoritmos disponíveis hoje, simulações altamente complexas dificilmente podem ser realizadas com resolução planejada de um quilômetro porque, por décadas, o desenvolvimento de código estagnou do ponto de vista da ciência da computação.
A pesquisa climática tem avançado porque se beneficiou do maior desempenho de novas gerações de processadores e supercomputadores, sem ter que mudar fundamentalmente seus programas. Ocorre que o ganho de desempenho com cada nova geração de processador parou há cerca de 10 anos. Como resultado, os programas de hoje geralmente podem utilizar apenas 5% do desempenho de pico dos processadores convencionais (CPU).
Entre as arquiteturas de computador disponíveis hoje e as esperadas no futuro próximo, os supercomputadores baseados em GPUs (unidades de processamento gráfico) parecem ser a opção mais promissora. Os pesquisadores estimam que operar um gêmeo digital da Terra em escala real exigiria um sistema com cerca de 20.000 GPUs, consumindo cerca de 20 MW de energia.
Por razões econômicas e ecológicas, esse computador ainda hipotético deverá ser operado em um local onde a eletricidade gerada com CO2 neutro esteja disponível em quantidades suficientes.
Artigo: The digital revolution of Earth-system science
Autores: Peter Bauer, Peter D. Dueben, Torsten Hoefler, Tiago Quintino, Thomas C. Schulthess, Nils P. Wedi