Simulation Die Erde bekommt einen digitalen Zwilling

Redakteur: Julia Bender

Ein Strategiepapier von europäischen Forschenden und Informatikern befasst sich damit, wie die Simulation des Erdsystems bestmöglich gelingen kann. Der Digital Twin soll unter anderem die Politik dabei unterstützen, geeignete Maßnahmen zum Schutz vor Extremereignissen zu treffen.

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Die Entwicklung eines digitalen Zwillings der Erde erfordert nicht nur eine große Menge an Beobachtungsdaten, sondern auch auf GPU-basierende Supercomputer.
Die Entwicklung eines digitalen Zwillings der Erde erfordert nicht nur eine große Menge an Beobachtungsdaten, sondern auch auf GPU-basierende Supercomputer.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay )

Die Europäische Union hat zwei Programme namens „Green Deal“ und „Digital Strategy“ ins Leben gerufen, im Zuge derer die Klimaneutralität bis zum Jahr 2050 erreicht werden soll. Um diese Aufgabe erfolgreich umzusetzen, haben Klimawissenschaftlerinnen und Klimawissenschaftler sowie Informatiker die Initiative „Destination Earth“ gegründet, die Mitte dieses Jahres startet und eine Laufzeit von bis zu zehn Jahren haben soll. In diesem Zeitraum wollen die Mitglieder der Initiative ein hochpräzises digitales Modell der Erde entwickeln, mit dem sowohl die Klimaentwicklung als auch Extremereignisse räumlich und zeitlich abgebildet werden sollen.

Damit der digitale Zwilling der Erde kontinuierlich hinsichtlich der Überwachung der Entwicklung und zur Vorhersage möglicher Entwicklungspfade, die auch Trajektorien genannt werden, präzisiert werden kann, müssen fortlaufend Beobachtungsdaten eingespeist werden. Dafür will das Team nicht nur jene Beobachtungsdaten integrieren, die bereits heute für bestimmte Wetter- und Klimasituationen genutzt werden, sondern auch Daten von menschlichen Aktivitäten. Dadurch wird es möglich, die gesamten Prozesse an der Erdoberfläche sowie den Einfluss des Menschen in Bezug auf das Wasser-, Nahrungs- und Energie-Management realitätsnah abzubilden.

Entscheidungsfindungen vereinfachen

Ein Ziel der Initiative liegt darin, mit dem virtuellen Modell der Erde ein Informationssystem zu schaffen, das Szenarien für eine nachhaltigere Entwicklung herausarbeitet und testet. „Wenn man in Holland beispielsweise einen zwei Meter hohen Deich plant, kann ich die Daten in meinem digitalen Zwilling durchspielen und überprüfen, ob der Deich aller Voraussicht nach auch im Jahr 2050 vor zu erwartenden Extremereignissen schützt“, sagt Peter Bauer, stellvertretender Direktor für Forschung am Europäischen Zentrum für mittelfristige Wettervorhersagen (ECMWF) und Mitinitiator von Destination Earth. Außerdem soll der digitale Zwilling für die strategische Planung der Lebensmittel- und Frischwasserversorgung oder von Windfarmen und Solaranlagen zum Einsatz kommen. Damit dieser Schritt der digitalen Revolution gelingen kann, brauche es die Vermählung der Erdwissenschaften mit den Computerwissenschaften, erklärt Bauer weiter.

Publikation zeigt auf, wie Vorhaben umgesetzt werden soll

Vor kurzem ist bereits das erste Strategiepapier der Initiative erschienen, in dem sich die Mitglieder damit beschäftigen, mit welchen Maßnahmen die digitale Revolution der Erdsystemwissenschaften vorangebracht werden kann, wo die Herausforderungen liegen und wo mögliche Lösungen zu finden sind. Den Autoren zufolge wird der Digital Twin den Bereich der Klimamodellierung, bei dem zwar viele physikalische Prozesse abgebildet, jedoch kleinräumige Prozesse vernachlässigt werden, und den der Wettervorhersagen, für den der Einbezug ebendieser unentbehrlich ist, zusammenführen und hochauflösende Simulationen ermöglichen. Dafür müssten aber die Codes der Simulationsprogramme auf die neuen Technologien angepasst werden, so die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. Sie betonen zudem in diesem Kontext das Potenzial von Künstlicher Intelligenz, da sie beispielsweise für die Datenassimilation, die Verarbeitung der Beobachtungsdaten, die Darstellung von unsicheren physikalischen Prozessen in den Modellen oder die Datenkomprimierung verwendet werden kann. Die Umsetzung dieser Ansätze erfordert jedoch auf Graphikprozessoren beruhende Supercomputer, die aufgrund der enormen Stromleistung von 20 MW an einem Ort betrieben werden sollten, an dem es ausreichend CO2-neutral erzeugten Strom gibt.

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