Computant el nostre futur climàtic | Notícies del MIT


Dilluns, MIT anunciat cinc projectes emblemàtics plurianuals en els primers grans reptes climàtics, una nova iniciativa per abordar problemes climàtics complexos i oferir solucions innovadores al món el més ràpidament possible. Aquest article és el primer d’una sèrie de cinc parts que destaca els conceptes més prometedors que sorgeixen de la competició i els equips de recerca interdisciplinaris que hi ha darrere.

Amb les millores de la potència de processament de l’ordinador i una major comprensió de les equacions físiques que regeixen el clima de la Terra, els científics treballen contínuament per perfeccionar els models climàtics i millorar el seu poder predictiu. Però les eines que estan perfeccionant es van concebre originalment fa dècades només pensant en els científics. Quan es tracta de desenvolupar plans d’acció climàtics tangibles, aquests models segueixen sent inescrutables per als responsables polítics, els funcionaris de seguretat pública, els enginyers civils i els organitzadors comunitaris que més necessiten la seva visió predictiva.

“El que acabes tenint és una bretxa entre el que s’utilitza normalment a la pràctica i la ciència d’avantguarda real”, diu Noelle Selin, professora de l’Institut de Dades, Sistemes i Societat i del Departament de Ciències de la Terra, l’Atmosfèrica i el Planetari. (EAPS) i co-dirigeix ​​amb el professor Raffaele Ferrari el projecte insígnia del MIT Climate Grand Challenges “Apropant la computació al repte climàtic.” “Com podem utilitzar noves tècniques computacionals, noves comprensió, noves maneres de pensar sobre el modelatge, per salvar realment aquesta bretxa entre els avenços científics i la modelització d’última generació, i les persones que realment necessiten utilitzar aquests models?”

Utilitzant això com a pregunta impulsora, l’equip no només intentarà perfeccionar els models climàtics actuals, sinó que n’està construint un de nou des de zero.

Aquest tipus d’avenç que canvia el joc és exactament el que busca el MIT Climate Grand Challenges, per això la proposta ha estat nomenada com un dels cinc projectes emblemàtics de l’ambiciós programa de tot l’Institut destinat a fer front a la crisi climàtica. La proposta, que va ser seleccionada d’entre 100 presentacions i va estar entre 27 finalistes, rebrà finançament i suport addicionals per afavorir el seu objectiu de reimaginar el sistema de modelització climàtica. També reuneix col·laboradors de tot l’Institut, com ara el MIT Schwarzman College of Computing, l’Escola d’Enginyeria i la Sloan School of Management.

Quan es tracta de buscar solucions climàtiques d’alt impacte que les comunitats d’arreu del món puguin utilitzar, “és fantàstic fer-ho al MIT”, diu Ferrari, Cecil de l’EAPS i la professora d’Oceanografia Ida Green. “No trobareu molts llocs al món on tingueu la ciència climàtica d’avantguarda, la informàtica d’avantguarda i els experts en ciències polítiques d’avantguarda que necessitem per treballar junts”.

El model climàtic del futur

La proposta es basa en el treball que Ferrari va començar fa tres anys com a part d’un projecte conjunt amb Caltech, l’Escola de Postgrau Naval i el Jet Propulsion Lab de la NASA. Anomenat Climate Modeling Alliance (CliMA), el consorci de científics, enginyers i matemàtics aplicats està construint un model climàtic capaç de projectar amb més precisió els canvis futurs en variables crítiques, com els núvols a l’atmosfera i la turbulència a l’oceà, amb incerteses a l’oceà. almenys la meitat de la mida dels models existents.

Per fer-ho, però, cal un nou enfocament. D’una banda, els models actuals tenen una resolució massa gruixuda (a l’escala de 100 a 200 quilòmetres) per resoldre processos a petita escala com la coberta de núvols, la pluja i l’extensió del gel marí. Però també, explica Ferrari, part d’aquesta limitació de resolució es deu a l’arquitectura fonamental dels mateixos models. Els idiomes en què es codifiquen la majoria dels models climàtics globals es van crear per primera vegada als anys 60 i 70, en gran part per científics per a científics. Des d’aleshores, els avenços en informàtica impulsats pel món corporatiu i els jocs per ordinador han donat lloc a nous llenguatges informàtics dinàmics, potents unitats de processament de gràfics i aprenentatge automàtic.

Perquè els models climàtics aprofitin al màxim aquests avenços, només hi ha una opció: començar de nou amb un llenguatge modern i més flexible. Escrit a Julia, una part de la tecnologia d’aprenentatge automàtic científic de Julialab, i liderat per Alan Edelmanprofessor de matemàtiques aplicades al Departament de Matemàtiques del MIT, CliMA serà capaç d’aprofitar moltes més dades de les que poden gestionar els models actuals.

“Ha estat molt divertit treballar finalment amb gent d’informàtica aquí al MIT”, diu Ferrari. “Abans era impossible, perquè els models climàtics tradicionals estan en una llengua que els seus alumnes ni tan sols poden llegir”.

El resultat és el que s’anomena “bessó digital de la Terra”, un model climàtic que pot simular les condicions globals a gran escala. Això per si sol és una gesta impressionant, però l’equip vol fer un pas més enllà amb la seva proposta.

“Volem agafar aquest model a gran escala i crear el que anomenem un ’emulador’ que només prediu un conjunt de variables d’interès, però s’ha entrenat en el model a gran escala”, explica Ferrari. Els emuladors no són tecnologia nova, però el que és nou és que aquests emuladors, anomenats “cosins digitals de la Terra”, aprofitaran l’aprenentatge automàtic.

“Ara sabem com entrenar un model si tenim prou dades per entrenar-lo”, diu Ferrari. L’aprenentatge automàtic per a projectes com aquest només s’ha fet possible en els últims anys a mesura que es disposen de més dades d’observació, juntament amb una potència de processament informàtica millorada. L’objectiu és crear models més petits i localitzats entrenant-los amb el bessó digital de la Terra. Si ho feu, estalviarà temps i diners, la qual cosa és clau si els cosins digitals seran útils per a les parts interessades, com ara els governs locals i els desenvolupadors del sector privat.

Prediccions adaptables per a les parts interessades mitjanes

Quan es tracta d’establir una política informada sobre el clima, les parts interessades han d’entendre la probabilitat d’un resultat a les seves pròpies regions, de la mateixa manera que us prepararíeu per a una caminada de manera diferent si hi ha un 10 per cent de possibilitats de pluja enfront d’un 90 per cent de possibilitats. Els models de cosins digitals més petits de la Terra podran fer coses que el model més gran no pot fer, com ara simular regions locals en temps real i proporcionar una gamma més àmplia d’escenaris probabilístics.

“Ara mateix, si volguéssiu utilitzar la sortida d’un model climàtic global, normalment hauríeu d’utilitzar una sortida dissenyada per a un ús general”, diu Selin, que també és el director del Programa de Política i Tecnologia del MIT. Amb el projecte, l’equip pot tenir en compte les necessitats dels usuaris finals des del primer moment, alhora que incorpora els seus comentaris i suggeriments als models, ajudant a “democratitzar la idea d’executar aquests models climàtics”, com ella diu. Fer-ho significa construir una interfície interactiva que, finalment, donarà als usuaris la possibilitat de canviar els valors d’entrada i executar les noves simulacions en temps real. L’equip espera que, amb el temps, els cosins digitals de la Terra puguin funcionar amb alguna cosa tan omnipresent com un telèfon intel·ligent, tot i que desenvolupaments com aquest estan fora de l’abast del projecte.

El següent en què treballarà l’equip és establir connexions amb les parts interessades. A través de la participació d’altres grups del MIT, com ara el Programa conjunt sobre la ciència i la política del canvi global i la Consorci Clima i Sostenibilitat, esperen treballar estretament amb els responsables polítics, els funcionaris de seguretat pública i els planificadors urbans per oferir-los eines predictives adaptades a les seves necessitats que puguin proporcionar resultats accionables importants per a la planificació. Davant l’augment del nivell del mar, per exemple, les ciutats costaneres podrien visualitzar millor l’amenaça i prendre decisions informades sobre el desenvolupament d’infraestructures i la preparació per a desastres; Les comunitats de les regions propenses a la sequera podrien desenvolupar una planificació civil a llarg termini amb èmfasi en la conservació de l’aigua i la resistència als incendis forestals.

“Volem que el procés de modelització i anàlisi sigui més ràpid perquè la gent pugui obtenir un feedback més directe i útil per prendre decisions a curt termini”, diu.

L’última peça del repte és incentivar els estudiants ara perquè puguin unir-se al projecte i marcar la diferència. Ferrari ja ha tingut la sort de despertar l’interès dels estudiants després de fer una classe conjunta amb Edelman i de veure l’entusiasme que tenen els estudiants per les solucions de la informàtica i el clima.

“En aquest projecte tenim la intenció de construir un model climàtic del futur”, diu Selin. “Per tant, sembla realment adequat que també formem els constructors d’aquest model climàtic”.