Klimato prognozių revoliucija: atskleistas klimato modelis, prilygstantis Žemės rentgeno nuotraukai

Didžiausias proveržis šioje srityje – naujas beveik kilometro tikslumo klimato modelis, kurį sukūrė Vokietijos Maxo Plancko instituto tyrėjų komanda, vadovaujama Danielio Klocke.

Šis modelis pirmą kartą istorijoje apjungia dvi didžiąsias Žemės sistemų kategorijas: „greitus“ reiškinius, tokius kaip oras, ir „lėtus“ procesus, pavyzdžiui, anglies ciklą ar biosferos pokyčius.

Toks derinys ilgą laiką buvo laikomas klimato modeliavimo „šventuoju graliu“ – nepasiekiamu tikslumu dėl milžiniškų skaičiavimų apimčių. Tačiau dabar tai tapo realybe.

Mato pasaulį po 1,25 km padidinamuoju stiklu

Naujoji sistema padalijo visą Žemės paviršių į maždaug 336 milijonus ląstelių, kurių kiekviena atitinka 1,25 kvadratinio kilometro plotą. 

Be to, kiekvienai žemės ar vandenyno ląstelei priskirta po dar vieną „atmosferos“ langelį viršuje, todėl iš viso buvo skaičiuojama net 672 milijonai ląstelių. Tai reiškia, kad audros, debesų formavimasis ar net nedideli vėjo gūsiai modelyje gali būti sekami itin detaliai.

Modelio pagrindą sudaro „ICOsahedral Nonhydrostatic“ (ICON) sistema – klimato ir oro prognozių modelis, kurį anksčiau sukūrė Vokietijos meteorologijos tarnyba kartu su Maxo Plancko institutu. 

Jis leidžia detaliai sekti tokius „greitus“ procesus kaip vandens ciklas, kritulių susidarymas ar debesų judėjimas – reiškiniai, kurie anksčiau buvo pernelyg smulkūs, kad juos būtų galima efektyviai prognozuoti globaliu mastu.

Lėtai keičiasi, bet ne mažiau svarbu

Tačiau tikroji šio modelio naujovė – sugebėjimas vienu metu sekti ir „lėtus“ procesus: anglies dvideginio pasiskirstymą atmosferoje, vandenynų cheminės sudėties pokyčius ar biosferos ilgalaikius virsmus. 

Iki šiol tokie reiškiniai būdavo modeliuojami atskirai ir itin stambiu masteliu – dažniausiai ne mažesniu kaip 40 km tikslumu. Dabar jie sujungiami į vieną bendrą sistemą, leidžiančią geriau suprasti, kaip, pavyzdžiui, miškų kirtimai ar šiltnamio efektą sukeliančios dujos iš tikrųjų veikia orus.

Ką reikia turėti, kad toks modelis veiktų?

Kad visa tai galėtų veikti, mokslininkams prireikė rimtų skaičiavimo resursų. Modelio pradinis kodas buvo parašytas dar Fortran kalba, programavimo seniena, gerokai apsunkinusi modernizavimo procesą. 

Todėl tyrėjai pasitelkė du superkompiuterius – „JUPITER“ Vokietijoje ir „Alps“ Šveicarijoje. Jie naudoja naujos kartos „Grace Hopper“ GH200 lustus, kuriuose derinamas dirbtinio intelekto spartai skirtas grafikos procesorius (GPU) ir ARM architektūros centrinis procesorius (CPU).

Tokio dueto pranašumas – GPU tvarko „greitus“ procesus (oras, krituliai), o CPU skaičiuoja „lėtus“ reiškinius (anglies ciklas, biosfera). Visiškai išnaudojus šią architektūrą, tyrėjai galėjo modeliuoti 145,7 dienų trukmės žemės klimato procesus vos per vieną parą. 

Tam reikėjo beveik trilijono skirtingų parametrų skaičiavimo, o tai stulbinantis mastas, net ir superkompiuterių kontekste.

Ką tai reiškia mums visiems?

Toks modelis gali reikšmingai padėti suprasti, kaip klimato kaita paveiks konkrečius pasaulio regionus, kur tikėtis sausros ar potvynio, kaip keisis vandenynų srovės ar anglies pasisavinimas biosferoje. 

Tačiau reikia pripažinti – tai dar nėra priemonė, kuri greitai pasieks paprastas meteorologines stotis ar mobiliąsias programėles. Skaičiavimo galia, kuri reikalinga šiam modeliui, yra per brangi ir per sudėtinga, kad ją būtų galima naudoti kasdienėje praktikoje.

Vis dėlto ši pažanga rodo, ką gali pasiekti tarpdisciplininė mokslo sinergija, kai klimatologai, programuotojai ir inžinieriai susėda prie bendro stalo. Galbūt vieną dieną tokio tikslumo modeliai bus kasdienybė, o kol kas belieka pasidžiaugti, kad žingsnis ta kryptimi jau žengtas.