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    Recréer la Terre par le code

    Crédit :Université Wits

    Le premier modèle du système terrestre développé et basé en Afrique crée l'une des modulations les plus fiables et les plus détaillées du changement climatique.

    Que faut-il pour recréer la Terre ? Quelques milliers de lignes de code, ajouter des données de toutes les stations météorologiques du monde, et un supercalculateur.

    Ajoutez à ce mélange un développeur spécialisé de modèles climatiques tel que le professeur François Engelbrecht du Wits Global Change Institute et vous obtenez le premier modèle du système terrestre développé et basé en Afrique, qui doit contribuer à la phase six du projet d'intercomparaison de modèles couplés du Programme mondial de recherche sur le climat (CMIP6).

    Engelbrecht, qui a rejoint Wits en janvier 2019 après avoir travaillé au Conseil de la recherche scientifique et industrielle (CSIR) pendant une décennie, travaille à la construction d'un modèle mathématique de la Terre, y compris toute l'atmosphère, océanique, les processus terrestres et du cycle du carbone et leurs interactions, afin de pouvoir projeter les impacts des futurs changements climatiques en Afrique et dans le monde. Vers cette fin, il travaille en étroite collaboration avec des scientifiques du Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO) en Australie, le CSIR en Afrique du Sud, l'Université du Cap (UCT) et l'Université de Venda.

    "Le codage fait partie de ma vie. Je code tous les jours, " dit Engelbrecht, qui est l'un des rares développeurs de modèles climatiques.

    Comment construire un modèle de système terrestre

    Construire un modèle de système terrestre n'est pas une tâche simple. Pour faire ça, Engelbrecht doit traiter les données de 50 couches de l'atmosphère terrestre, qui est d'environ 50 km de profondeur; l'océan de sa surface jusqu'au fond, divisé en 30 couches et la terre, divisé en six couches pour simuler l'humidité et la température du sol.

    Un modèle du système terrestre fournit un échantillonnage numérique de tous les processus physiques se produisant dans le système couplé tridimensionnel océan-atmosphère-terre. Il doit également inclure la chimie océanique et atmosphérique, y compris les effets du cycle du carbone sur le système climatique.

    « L'océan et la terre sont tous deux de grands puits (absorbeurs) de carbone. Il existe également des processus naturels qui libèrent du dioxyde de carbone dans l'atmosphère. Nous devons voir comment ces processus fonctionnent et modéliser l'impact du cycle du carbone sur le climat à l'avenir dans la présence d'émissions accrues de dioxyde de carbone émanant de notre dépendance aux combustibles fossiles pour l'énergie, " dit Engelbrecht.

    Un modèle de système terrestre est basé sur un ensemble d'équations mathématiques qui décrivent comment la Terre change au fil du temps pour changer le forçage radiatif (par exemple, concentrations croissantes de dioxyde de carbone). C'est-à-dire, quand les lois de la physique sont appliquées à l'atmosphère, on obtient un ensemble d'équations aux dérivées partielles. Ces équations peuvent être résolues numériquement pour obtenir une image de notre futur climat.

    "Au moment où vous travaillez avec ces types de données et de mathématiques numériques, vous avez besoin d'un supercalculateur pour le traiter, " dit Engelbrecht.

    "Le modèle mathématique décompose l'atmosphère en plusieurs couches, et la Terre en points de grille horizontaux. Plus l'ordinateur est grand, plus vous pouvez ajouter de points de grille, ce qui rend le modèle plus précis."

    Accéder à la puissance des supercalculateurs

    Engelbrecht n'a eu accès qu'au cours des dernières années à un superordinateur doté d'une puissance de traitement suffisante pour entreprendre ces simulations coûteuses en calculs et traiter l'énorme quantité de données. Il s'agit du cluster Lengau du Centre de Calcul Haute Performance (CHPC) du Département des Sciences et Technologies basé à Rosebank, Le Cap. Une seule simulation climatique nécessite l'utilisation de centaines à milliers de processeurs sur le cluster, appliqué en parallèle pour résoudre les équations complexes du système Terre.

    Même sur les supercalculateurs les plus rapides du monde, la résolution spatiale des modèles du système terrestre reste limitée à environ 100 km à l'horizontale. Dans un développement récent, Engelbrecht et ses collègues se lancent également dans le monde de l'intelligence artificielle, d'utiliser des algorithmes spécialement conçus qui peuvent représenter les détails les plus fins du système à des échelles spatiales non directement résolues par le modèle du système terrestre.

    « Traditionnellement, la représentation des processus à petite échelle dans les modèles du système terrestre était basée sur des statistiques conventionnelles informées par des observations sur le terrain de la relation entre les processus à petite échelle et les caractéristiques d'écoulement à grande échelle de l'océan et de l'atmosphère. ainsi des relations plus réalistes à formuler entre les caractéristiques d'écoulement à échelle fine et à plus grande échelle dans le système climatique, " déclare Engelbrecht.

    Engelbrecht, qui a fait son doctorat. en météorologie numérique à l'Université de Pretoria dirige le développement du modèle océanique global appliqué dans le modèle du système terrestre. Le CSIRO fournit au système des modèles atmosphériques et terrestres globaux sophistiqués, tandis que le CSIR fournit et développe le modèle du cycle du carbone et la chimie atmosphérique appliqués dans le modèle du système terrestre.

    Afin de décrire un état initial de l'océan et de l'atmosphère au modèle du système terrestre, Engelbrecht et ses collègues utilisent les informations des stations météorologiques du monde entier, qui est compilé et partagé par l'Organisation météorologique mondiale.

    Engelbrecht souligne que la compréhension du climat et du cycle du carbone de l'océan Austral et de la dynamique de la banquise et des calottes glaciaires de l'Antarctique est essentielle à la projection fiable du futur changement climatique.

    "L'océan Austral est un énorme puits de carbone, et nous (Afrique du Sud, à travers l'Observatoire du Carbone et du Climat de l'Océan Austral (SOCCO) du CSIR), avoir les meilleures connaissances au monde sur la chimie et la physique de l'océan Austral, ce qui rend notre modèle du système terrestre incroyablement pertinent pour le reste du monde, " dit Engelbrecht. " Notre modèle est construit à travers le prisme des processus climatiques de l'océan Austral et de l'Afrique. " Le SOCCO du CSIR et le Marine Science Institute de l'UCT sont donc des partenaires importants dans le développement du modèle du système terrestre.

    « Un projet du Programme de recherche scientifique sur le système terrestre de la National Research Foundation (ESSRP) donne un élan initial important à cette collaboration, " dit Engelbrecht.

    Construire un modèle de système terrestre est une tâche complètement interdisciplinaire, impliquant des experts de divers domaines, y compris les climatologues, océanographes, écologistes, mathématiciens, physiciens, chimistes et informaticiens. Engelbrecht a l'intention d'attirer de plus en plus d'experts dans tous ces domaines pour travailler ensemble à la construction et à l'amélioration du modèle du système terrestre basé en Afrique.

    "L'une des raisons pour lesquelles je suis venu à Wits était d'exposer le processus de développement du modèle du système terrestre à des collègues possédant une expertise de premier plan en océanographie, climatologie, mathématiques numériques, le calcul haute performance et l'intelligence artificielle afin que nous puissions collaborer et contribuer conjointement à ce domaine véritablement multidisciplinaire. Nous avons déjà réuni au GCI et aux Wits Schools de GAES et APES un groupe solide d'étudiants de troisième cycle qui auront l'opportunité de travailler dans ce domaine multidisciplinaire passionnant, tout en apportant leur nouvelle pensée au modèle du système terrestre, " il dit.

    "Nous créons l'une des modulations les plus fiables et les plus détaillées du changement climatique pour l'Afrique. Si nous pouvons projeter de manière fiable notre avenir probable du changement climatique en Afrique, alors nous pouvons estimer les risques pour des aspects tels que la sécurité de l'eau, agriculture, biodiversité, et la santé humaine, et prendre des mesures opportunes par le biais de projets d'adaptation et d'atténuation du changement climatique. »


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