La Terre perdait apparemment de l'eau.

Ruby Leung, un scientifique du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) du ministère de l'Énergie (DOE), et son équipe ont été déconcertés par leurs résultats.

"Nous voyions le niveau de la mer baisser à un rythme alarmant, " elle a dit.

Heureusement, ils ne regardaient qu'une Terre virtuelle. Ils ont rapidement réalisé qu'il y avait des erreurs dans le modèle informatique du système terrestre qu'ils développaient. Les scientifiques utilisent ces programmes informatiques pour visualiser le présent et voir dans l'avenir. Ils doivent se rapprocher le plus possible de la modélisation du fonctionnement des systèmes terrestres dans la vie réelle. Parce que la vraie Terre cycle l'eau mais ne la perd jamais, le modèle non plus.

Identifier le problème était simple. Ce n'était pas le cas. Il existe des centaines de variables dans le modèle qui pourraient affecter son cycle de l'eau. Identifier l'exact et le changer sans créer une autre inexactitude peut prendre des heures ou des jours de travail. Dans ce cas, le modèle n'envoyait pas tous les flux d'eau de ruissellement de la terre dans l'océan. En outre, le modèle atmosphérique perdait une très petite quantité d'eau à chaque pas de temps, ce qui fait beaucoup. Pour régler le problème, Leung et ses collègues ont changé le modèle pour conserver l'eau.

Résoudre ce problème n'était que l'un des nombreux défis auxquels l'équipe a été confrontée lors du développement du nouveau logiciel du DOE :le modèle du système terrestre Energy Exascale (E3SM). En représentant de nombreux systèmes et interactions de la Terre plus en détail que jamais, ils espèrent aider les scientifiques à mieux comprendre notre planète aujourd'hui et à l'avenir.

Comprendre une Terre en mutation

La Terre a toujours été et sera toujours en train de changer. Mais les activités humaines accélèrent ces changements et il est généralement admis que les températures mondiales augmentent. Alors que les scientifiques peuvent largement prédire comment la hausse des températures affectera notre monde, les décideurs et les planificateurs doivent comprendre ce qui arrivera aux villes et aux États individuels. C'est là que les modèles du système Terre entrent en jeu.

Le DOE souhaite comprendre comment la production d'énergie pourrait affecter les systèmes terrestres et vice versa. Alors que la production d'énergie peut accélérer le changement climatique, la hausse des températures peut également affecter la production et l'utilisation de l'énergie. Un manque d'eau peut réduire la production d'une centrale hydroélectrique ou limiter l'eau disponible pour le refroidissement des centrales nucléaires.

"Le DOE et ses prédécesseurs ont toujours eu pour mission de comprendre les conséquences environnementales de la production et de l'utilisation de l'énergie, " a déclaré David Bader, un scientifique du Lawrence Livermore National Laboratory du DOE et chef d'équipe E3SM. "Nous savons que le climat et le système terrestre ne sont pas stationnaires. Il change. Nous avons besoin d'un moyen de comprendre les interactions."

La portée des modèles du système Terre les rend uniques. Les scientifiques construisent une variété de logiciels pour simuler différents systèmes naturels, mais les modèles du système Terre les rassemblent tous. Ils montrent comment ces systèmes individuels - l'atmosphère, sol, océan, calottes glaciaires, et plus encore :interagir. Ils intègrent également de nombreux aspects de l'activité humaine, tels que les produits de la production d'énergie, la gestion et l'utilisation de l'eau, et la gestion de l'agriculture ainsi que d'autres changements dans l'utilisation des terres ou la couverture des terres.

Ces combinaisons aident les scientifiques à comprendre l'interaction actuelle et future entre le monde naturel et les activités humaines. Pour s'assurer qu'un modèle représente correctement le présent, ils comparent les résultats modélisés à des observations réelles. Les prédictions sur des décennies dans le futur aident les personnes qui planifient des ponts ou des centrales électriques à comprendre comment leurs choix à long terme pourraient affecter ou être affectés par ces changements.

Un modèle qui tourne autour de l'énergie

Alors qu'il n'y a qu'une seule Terre, il existe de nombreux modèles du système Terre. Les membres de l'équipe E3SM ont conçu leur modèle pour répondre aux questions pertinentes à la mission du DOE.

L'un des saints Graal en matière de planification énergétique est de pouvoir prédire comment et quand la pluie, neiger, et d'autres précipitations tombent sur la terre. Les changements climatiques et l'utilisation des terres pourraient augmenter la capacité de l'atmosphère à retenir l'humidité et provoquer des tempêtes plus fréquentes et plus intenses. En revanche, cela pourrait également conduire à plus d'évaporation, entraînant plus de sécheresse. Ou très probablement, les deux pourraient se produire dans différents endroits du monde.

Le nouveau modèle se concentre sur trois domaines qui ont des effets significatifs sur les précipitations de surface, les vents, et la température ainsi que la production d'énergie :le cycle de l'eau, la façon dont les différents composants du système Terre échangent des flux biogéochimiques, et le mouvement et la fonte des calottes glaciaires.

"Pour prévoir les précipitations, vous devez vraiment comprendre presque toutes les autres parties du système Terre, " a déclaré Leung. "L'atmosphère joue le rôle de tout connecter. L'ambiance n'est pas locale."

Combiner ces systèmes en un seul modèle et obtenir le niveau de détail nécessaire n'est pas quelque chose que vous pouvez faire sur votre ordinateur de bureau. Au lieu, cela nécessite les grosses machines – les superordinateurs des installations des utilisateurs du DOE Office of Science. Les programmeurs E3SM ont écrit le logiciel pour tirer pleinement parti du matériel et des systèmes d'exploitation de ces ordinateurs. L'équipe est également en train de le concevoir afin de pouvoir mettre à niveau le modèle pour qu'il s'exécute sur les futurs ordinateurs exascale du DOE. Ces ordinateurs seront 50 fois plus puissants que les ordinateurs les plus rapides d'aujourd'hui.

En utilisant ces ordinateurs, le modèle sera en mesure de fournir beaucoup plus de détails que les modèles précédents du système Terre. L'équipe s'attend à ce que l'E3SM offre deux fois le niveau de détail global en utilisant le nouveau supercalculateur Summit de l'Oak Ridge Leadership Computing Facility (une installation utilisateur du DOE Office of Science), par rapport aux modèles actuels. Selon le besoin, il peut également offrir la même quantité de détails globaux dans la plupart des pays, tout en offrant une résolution extrêmement élevée dans des zones spécifiques. Cette résolution affinée au niveau régional permettra aux scientifiques d'examiner les effets sur une base beaucoup plus régionale. Cela pourrait les aider à mieux comprendre les activités humaines, comme l'agriculture, qui varient d'un endroit à l'autre.

Cette puissance de calcul leur permettra également d'exécuter 10 fois plus de simulations qu'ils ne le peuvent actuellement.

« Nous pouvons maintenant faire plus de simulations en utilisant moins de ressources, " a déclaré Mark Taylor, un scientifique des laboratoires nationaux Sandia du DOE et scientifique en chef de l'informatique de l'E3SM.

L'exécution du programme sur des ordinateurs exascale permettra des sauts encore plus importants dans la complexité et les détails du modèle.

Comment créer un outil qui regarde vers l'avenir

Construire un modèle aussi compliqué, c'est comme reconstruire une voiture. Vous pouvez commencer avec le même cadre, mais au moment où tu mets au point de vieilles pièces, échanger les autres contre de nouveaux, et faire fonctionner le tout ensemble, il ressemble et agit complètement différemment.

Pour commencer, l'équipe a travaillé avec un modèle de système terrestre existant – le modèle de système terrestre communautaire.

Le plus grand défi avec le modèle de système terrestre communautaire - et tous les modèles de système terrestre existants - est qu'il existe des zones où les simulations sont systématiquement inexactes. Alors que leur modélisation correspond largement aux preuves, certains détails ne correspondent pas tout à fait aux observations.

Malheureusement, ces problèmes n'ont pas de solution simple.

"Ce n'est pas comme si vous pouviez changer une chose et cela corrige. Vous changez une chose et vous aggravez généralement quelque chose d'autre parce que le système est interconnecté, " a déclaré Bader. Tout comme le vrai système de la Terre.

Il existe plusieurs voies que les modélisateurs poursuivent pour réduire ces erreurs.

La révision du modèle de base est le point de départ le plus logique. Les scientifiques peuvent souvent améliorer les modèles en peaufinant les équations physiques et les théories écologiques basées sur les résultats de la recherche. Données d'observation, tels que du DOE Office of Science's ARM Climate Research Facility, fournissent régulièrement de nouvelles informations.

Échanger des sous-modèles existants contre de nouveaux, plus précis est une autre approche. L'équipe E3SM a entrepris l'énorme tâche de développer quatre des sous-modèles complètement nouveaux représentant des rivières, l'océan mondial, glace de mer, et la glace terrestre.

"Il y a des processus qui n'ont normalement été représentés dans aucun modèle du système Terre dans le monde, " dit Leung, se référant au modèle de la rivière. "Sans ces pièces, il nous manque certains des maillons importants de l'énergie mondiale, l'eau, et les cycles biogéochimiques."

Mais l'ajout de ces nouveaux modèles n'est pas une question de copier-coller. Les scientifiques doivent les connecter avec précision afin que les changements dans l'un affectent correctement les autres.

"Vous remplacez tous ces composants et vous espérez que ce modèle fonctionnera mieux qu'avant. Mais ce n'est pas un pur hasard. Il faut vraiment revenir à l'essentiel, " dit Leung.

Similaire au problème de "l'eau manquante", l'équipe a été confrontée à un défi similaire avec son modèle océanique. Après l'avoir remplacé, ils ont vu que le système terrestre complet ne simulait pas l'oscillation El Nino-Sud, une influence majeure sur les conditions météorologiques. L'équipe s'est rendu compte que les modèles atmosphériques et océaniques représentaient la relation entre le mouvement du vent et de l'eau dans l'océan différemment des observations. Pour rendre les deux plus précis, ils ont révisé les processus pour qu'ils correspondent les uns aux autres.

Toujours en amélioration, Toujours expérimenter

Tout ce travail acharné a porté ses fruits lorsque l'équipe a sorti la première version du modèle en avril dernier. Mais ils sont loin d'être terminés. En réalité, ils s'attendent à produire au moins trois autres versions à l'avenir.

Ils améliorent déjà le modèle actuel en modifiant les sous-modèles qu'il contient. Des chercheurs ont publié un article examinant comment améliorer la façon dont le modèle de rivière représente les inondations en Amazonie. En utilisant des données topographiques sur les canaux fluviaux et des informations sur la façon dont l'eau s'écoule entre la terre et la rivière, ils ont pu rendre le sous-modèle plus précis. Une autre étude décrit comment le modèle fluvial pourrait mieux montrer comment et quand différents secteurs de la société utilisent les eaux de surface et les eaux souterraines.

À la fois, les scientifiques utilisent le modèle actuel pour mener une série d'expériences. Alors qu'ils finissent, ils publieront les « données » du modèle sur les archives de données de la DOE Earth System Grid Federation des résultats du modèle. Le projet a également rendu son code accessible au public via le site Web de programmation populaire GitHub.

Alors que le projet se poursuit, les scientifiques s'efforcent d'avoir un aperçu plus clair de l'avenir de notre Terre que jamais auparavant.

"Tous ces modèles représentent les connaissances cumulées que nous avons acquises au cours des 40 dernières années, " a déclaré Bader. " Cela a permis à la fois une meilleure compréhension et donc une meilleure représentation des processus énergétiques et du système terrestre. C'est beaucoup plus complet que les modèles précédents."