¿Alguna vez te has preguntado cómo los meteorólogos pueden predecir el clima con días de anticipación, o cómo los científicos descubren cómo podría evolucionar el clima bajo diferentes políticas?
El sistema Tierra es una vasta red de procesos entrelazados, desde reacciones químicas microscópicas hasta grandes tormentas. Las corrientes oceánicas que circulan en las profundidades del Atlántico, los bosques que intercambian carbono con la atmósfera y los humanos que cambian la composición del aire tienen efectos que repercuten en todo el sistema. Estos procesos se rigen por leyes físicas, como la conservación de la masa, la energía y el momento.
Todo esto está ocurriendo a una escala tan grande que ninguna mente humana puede comprenderlo plenamente. Y, sin embargo, el sistema es tan sensible que una pequeña perturbación, con el tiempo suficiente, puede dirigir su trayectoria en una dirección dramáticamente diferente. Esta sensibilidad se llama "caos", también conocida como "efecto mariposa". El planeta es a la vez vasto y delicado.
A pesar de esta complejidad y escala, los científicos pueden simular y predecir cómo cambiará el clima.
¿Cómo es esto posible? Detrás de las proyecciones climáticas a largo plazo que afectan nuestras vidas se esconde uno de los logros científicos más importantes de la era moderna: los modelos climáticos ejecutados en supercomputadoras.
Soy un científico de datos climáticos. Mis colegas y yo estamos tratando de comprender el clima extremo y los riesgos climáticos a largo plazo utilizando versiones virtuales de la Tierra dentro de estas máquinas.
¿Qué es realmente un modelo climático?
Esta es la forma más sencilla de imaginar un modelo climático:
Imagínese dividir todo el planeta en cajas 3D. En la superficie, cada caja puede representar un área de 50 a 100 kilómetros de diámetro. Luego apilamos las cajas en la atmósfera y en los océanos para crear una cuadrícula 3D que envuelve el mundo.
Cada cuadro contiene números: temperatura, velocidad del viento, humedad, espesor del hielo marino, humedad del suelo y cientos de otras variables. El modelo contiene expresiones matemáticas que describen cómo estas variables se afectan entre sí: cómo se mueve el calor, cómo el aire sube y baja, cómo la humedad se condensa en las nubes, cómo el océano absorbe y redistribuye la energía.
Los modelos climáticos son sistemas de ecuaciones diferenciales basados en las leyes básicas de la física, el movimiento de fluidos y la química. Dividen el planeta en una cuadrícula 3D, aplican ecuaciones y evalúan los resultados. Dentro de estos modelos, el componente atmosférico, por ejemplo, calcula los vientos, la transferencia de calor, la radiación, la humedad relativa y la hidrología de la superficie. NOAA
Luego dejamos que el modelo progrese en el tiempo, resolviendo los cálculos y actualizando cada variable en cada cuadro. Entonces otra vez. Y otra vez.
Ahora auméntalo. Millones de cuadros de cuadrícula. Cientos de variables por caja. Cálculos realizados millones de veces para simular décadas o incluso siglos.
Y como el sistema es caótico, no ejecutamos el modelo sólo una vez. Lo ejecutamos muchas veces con condiciones iniciales ligeramente diferentes (lo que los científicos llaman un conjunto) para asegurarnos de que el resultado sea, de hecho, la verdadera respuesta del sistema al escenario bajo consideración, como el aumento de las temperaturas debido al aumento de las emisiones, y no el efecto del caos.
El resultado es una cantidad astronómica de cálculos. Para ejecutarlos se necesitan computadoras capaces de realizar billones de operaciones por segundo, lo que se conoce como supercomputadoras petaflop. ¡Un petaflop equivale a 1 billón (1.000.000.000.000.000) de cálculos por segundo!
De la simulación a las decisiones del mundo real
Estas simulaciones informan decisiones que afectan la vida cotidiana: a qué altura construir casas en áreas propensas a inundaciones, cómo diseñar redes eléctricas para resistir olas de calor prolongadas, cómo gestionar los recursos hídricos durante las sequías.
Los planificadores urbanos, los ingenieros, los gestores de emergencias y los responsables de la formulación de políticas dependen de la información derivada de estos modelos.
Universidades, laboratorios nacionales y agencias gubernamentales han desarrollado docenas de modelos climáticos importantes en todo el mundo. Cada centro de modelado construye su propio código, hace sus propios supuestos físicos, elige su propia resolución de cuadrícula y opera sus propios sistemas de supercomputadoras. A través de esfuerzos internacionales como el Proyecto de Intercomparación de Modelos Acoplados, los centros de modelización acuerdan experimentos conjuntos: por ejemplo, los mismos escenarios de gases de efecto invernadero y las mismas erupciones volcánicas.
Cuando escuchamos que se predice que los eventos de precipitación extrema se intensificarán en un mundo más cálido, o que el Océano Ártico podría quedar libre de hielo estacionalmente en décadas, esas conclusiones no son el resultado de cálculos hechos por un científico, un equipo de científicos o incluso un modelo. Surgen de docenas de modelos desarrollados de forma independiente, que se ejecutan en supercomputadoras del tamaño de una habitación, bajo experimentos preestablecidos y cuidadosamente coordinados.
En este ejemplo de uso de múltiples modelos, las áreas coloreadas y sin trazos indican regiones de alto acuerdo entre modelos, donde más del 80% de los modelos coinciden en los signos de cambio. Las proyecciones para el cambio de precipitación diaria máxima anual se realizaron utilizando la Fase 5 del Proyecto de Intercomparación de Modelos Acoplados de Modelos Múltiples (CMIP5). IPCC
Esta cooperación global es una de las razones por las que los científicos saben tanto sobre el cambio climático. Estas simulaciones colaborativas permiten a científicos de todo el mundo probar hipótesis y explorar riesgos futuros basándose en el consenso del modelo.
No sorprende que el Premio Nobel de Física 2021 haya reconocido a los pioneros de la modelización climática. Estos modelos han transformado fundamentalmente la capacidad de la humanidad para comprender un planeta complejo.
No existe una forma alternativa de responder a las preguntas de "¿qué pasaría si?" sobre el futuro sistema climático. ¿Qué pasa si el dióxido de carbono se duplica? ¿Qué pasa si las emisiones disminuyen rápidamente? ¿Qué pasaría si una gran erupción volcánica inyectara aerosoles en la estratosfera? Debido a que el sistema climático es tan complejo y las fuerzas pueden sacarlo del alcance de la experiencia histórica, el pasado ya no es una guía confiable para el futuro. Por tanto, los modelos estadísticos no son suficientes.
Ni siquiera la inteligencia artificial puede sustituir esta base. La IA ha logrado avances impresionantes en el pronóstico del tiempo a corto plazo, aprendiendo patrones de vastos conjuntos de datos históricos y produciendo pronósticos a una velocidad vertiginosa.
Pero las proyecciones climáticas requieren una extrapolación a condiciones que el planeta no ha experimentado en la historia moderna, como mayores concentraciones de gases de efecto invernadero. Hoy en día, la IA puede acelerar las simulaciones y analizar cantidades masivas de datos, pero no puede reemplazar la resolución de las ecuaciones físicas que gobiernan el sistema.
Los centros nacionales de supercomputación son esenciales
En Estados Unidos, los principales esfuerzos de modelización climática han contado con el apoyo de laboratorios nacionales y centros federales, incluidos la NASA y el Centro Nacional de Investigación Atmosférica (NCAR), junto con varias universidades de investigación.
En NCAR, los científicos han desarrollado el Modelo del Sistema Terrestre Comunitario, un modelo climático integral que es probablemente uno de los mejores modelos hasta la fecha y es utilizado por investigadores de todo el país y de todo el mundo para estudiar el cambio climático, el clima severo, los efectos climáticos en los incendios forestales y los patrones atmosféricos. Ha ayudado a colocar a Estados Unidos a la vanguardia de la ciencia climática y ha permitido a la comunidad investigadora mundial abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo.
Ejecutar conjuntos grandes con este modelo requiere hardware potente, sistemas de almacenamiento que puedan manejar petabytes de salida e ingenieros para mantener estos sistemas operativos. No se trata de descargar y ejecutar un programa en una computadora portátil. Es una empresa científica nacional que hace que NCAR y su supercomputadora sean esenciales.
En un clima cada vez más cálido, hay mucho en juego. La capacidad de simular el sistema terrestre a gran escala es una de las herramientas más poderosas que tiene la humanidad para prepararse para los riesgos venideros.
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