A Terra suporta uma variedade impressionante de geografias, ecossistemas e ambientes, cada um dos quais abriga uma variedade igualmente impressionante de padrões e eventos climáticos. O clima é um agregado de todos esses eventos, em média, em um período específico de tempo para uma região específica. Olhando para o quadro geral, o clima da Terra acabou com a década em alta, embora não seja do tipo que se possa comemorar.
Em janeiro, várias agências científicas dos EUA e da Europa relataram 2019 como o segundo ano mais quente já registrado, encerrando a década mais quente. Julho caiu como o mês mais quente já registrado.
Usando novos modelos de alta resolução desenvolvidos pelo Departamento de Ciência do Departamento de Energia dos EUA (DOE), os pesquisadores estão tentando prever esse tipo de tendência no futuro próximo e no próximo século; esperando fornecer a base científica para ajudar a mitigar os efeitos do clima extremo na energia, infraestrutura e agricultura, entre outros serviços essenciais necessários para manter a civilização avançando.
Sete laboratórios nacionais do DOE, incluindo o Argonne National Laboratory, estão entre uma colaboração maior que trabalha para avançar uma versão de alta resolução do Modelo de Sistema Exascale de Terra na Energia (E3SM). As simulações que eles desenvolveram podem capturar a dinâmica mais detalhada do comportamento de gerar clima, desde o transporte de calor pelos redemoinhos do oceano – advecção – até a formação de tempestades na atmosfera.
“O E3SM é um modelo de sistema terrestre projetado para simular como as combinações de temperatura, ventos, padrões de precipitação, correntes oceânicas e tipo de superfície da terra podem influenciar o clima regional e construir infraestrutura em escalas local, regional e global”, explica Robert Jacob, líder do E3SM de Argonne e cientista climático em sua divisão de Ciência Ambiental. “Mais importante, ser capaz de prever como as mudanças no clima e no ciclo da água respondem ao aumento do dióxido de carbono (CO 2 ) é extremamente importante no planejamento para o nosso futuro”.
“As mudanças climáticas também podem ter grandes impactos em nossa necessidade e capacidade de produzir energia, gerenciar suprimentos de água e prever impactos na agricultura”, acrescenta ele, “então o DOE quer um modelo de previsão que possa descrever as mudanças climáticas com detalhes suficientes para ajudar os tomadores de decisão. “
As instalações ao longo de nossas costas são vulneráveis ao aumento do nível do mar causado, em parte, pelo rápido derretimento das geleiras, e muitas falhas de energia são resultado de condições climáticas extremas e das condições precárias que podem criar. Por exemplo, as chuvas historicamente pesadas de 2019 causaram inundações prejudiciais nos estados do centro e sul e as condições quentes e secas no Alasca e na Califórnia resultaram em incêndios florestais maciços.
E depois há a Austrália.
Para entender como todos os componentes da Terra funcionam em conjunto para criar essas condições selvagens e variadas, o E3SM divide o mundo em milhares de células interdependentes da grade – 86.400 para que a atmosfera seja exata. Eles são responsáveis pelas principais características terrestres, do “fundo do oceano até quase o topo da atmosfera”, escreveram os membros da colaboração em um artigo recente publicado no Journal of Advances in Modeling Earth Systems.
“O mundo é modelado como um grupo de células com 25 quilômetros entre os centros de grade horizontalmente ou um quarto de grau de resolução em latitude”, diz Azamat Mametjanov, engenheiro de desempenho de aplicativos da divisão de Matemática e Ciência da Computação de Argonne. “Historicamente, a resolução espacial tem sido muito mais grossa, em um grau ou em cerca de 100 quilômetros. Portanto, aumentamos a resolução em um fator de quatro em cada direção. Estamos começando a resolver melhor os fenômenos com os quais as indústrias de energia se preocupam mais – extrema clima.”
Os pesquisadores acreditam que os recursos de maior resolução do E3SM permitirão que os pesquisadores resolvam recursos geofísicos, como furacões e neve nas montanhas, que se mostram menos claros em outros modelos. Uma das maiores melhorias no modelo E3SM foi a temperatura da superfície do mar e o gelo do mar no Oceano Atlântico Norte, especificamente o Mar do Labrador, que exigiu uma contabilidade precisa do fluxo de ar e água.
“Esta é uma região oceânica importante na qual modelos de baixa resolução tendem a representar muita cobertura de gelo marinho”, explica Jacob. “Este gelo marinho adicional esfria a atmosfera acima dela e degrada nossas previsões nessa área e também a jusante”.
Aumentar a resolução também ajudou a resolver as correntes oceânicas com mais precisão, o que ajudou a fazer as condições do Mar Labrador corresponderem às observações de satélites e navios, além de fazer melhores previsões da Corrente do Golfo.
Outra característica distintiva do modelo, diz Mametjanov, é sua capacidade de funcionar por várias décadas. Embora muitos modelos possam ser executados com uma resolução ainda mais alta, eles podem ser executados apenas de cinco a 10 anos, no máximo. Por usar os supercomputadores ultra rápidos do DOE, o modelo E3SM de 25 km percorreu 50 anos.
Eventualmente, a equipe quer correr 100 anos por vez, interessada principalmente no clima por volta de 2100, que é uma data final padrão usada para simulações de clima futuro.
Resolução mais alta e seqüências de tempo mais longas à parte, executar esse modelo não deixa de ter dificuldades. É um processo altamente complexo.
Para cada uma das 86.400 células relacionadas à atmosfera, os pesquisadores executam dezenas de operações algébricas que correspondem a alguns processos meteorológicos, como o cálculo da velocidade do vento, pressão atmosférica, temperatura, umidade ou a quantidade de aquecimento localizado contribuído pela luz solar e pela condensação, para citar apenas alguns.
“E então temos que fazer isso milhares de vezes por dia”, diz Jacob. “Adicionar mais resolução torna a computação mais lenta; torna mais difícil encontrar tempo para o computador executá-lo e verificar os resultados. A simulação de 50 anos que analisamos neste artigo levou cerca de um ano em tempo real para ser executada”.
Outra dinâmica para a qual os pesquisadores devem ajustar seu modelo é chamada forçar, que se refere principalmente aos fatores naturais e antropogênicos que podem estabilizar ou empurrar o clima em diferentes direções. A principal força no sistema climático é o sol, que permanece relativamente constante, observa Jacob. Porém, ao longo do século XX, houve aumentos em outros fatores externos, como o CO 2 e uma variedade de aerossóis, desde o spray do mar até o vulcânico.
Para esta primeira simulação, a equipe não estava examinando um período específico de tempo, mas trabalhando na estabilidade do modelo, então eles escolheram uma força que representava condições durante a década de 1950. A data era um compromisso entre as condições pré-industriais usadas em simulações de baixa resolução e o início das mais dramáticas emissões antropogênicas de gases de efeito estufa e o aquecimento que viria à tona neste século.
Eventualmente, o modelo integrará os atuais valores forçadores para ajudar os cientistas a entender melhor como o sistema climático global mudará à medida que esses valores aumentarem, diz Jacob.
“Embora tenhamos algum entendimento, realmente precisamos de mais informações – assim como o público e os produtores de energia – para que possamos ver o que vai acontecer em escalas regionais”, acrescenta. “E para responder a isso, você precisa de modelos que tenham mais resolução.”
Um dos objetivos gerais do projeto foi melhorar o desempenho do E3SM em supercomputadores DOE, como o Theta da Facility de Computação de Liderança de Argonne, que provou ser o principal cavalo de batalha do projeto. Porém, à medida que as arquiteturas de computador mudam para a computação em escala exascente, as próximas etapas do projeto incluem a transferência dos modelos para as GPUs.
“À medida que a resolução aumenta usando máquinas exascale, será possível usar o E3SM para resolver tendências de secas e furacões, que se desenvolvem ao longo de vários anos”, diz Mametjanov.
“Os modelos climáticos podem resolver alguns deles, mas no máximo por cerca de 10 dias. Portanto, ainda existe uma lacuna entre os modelos climáticos e os modelos climáticos e, usando o E3SM, estamos tentando diminuir essa lacuna”.