El futuro de la investigación climática: una sesión de preguntas y respuestas con James Hack de ORNL - Calendae | Informática, Electrónica, CMS, Ciberseguridad

El futuro de la investigación climática: una sesión de preguntas y respuestas con James Hack de ORNL

Hola y mil gracias por leerme. Soy Simón Sánchez y esta vez vamos a hablar sobre El futuro de la investigación climática: una sesión de preguntas y respuestas con James Hack de ORNL

Cuando James Hack llegó al Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) a finales de 2007, recibió dos funciones: una como director del Centro Nacional de Ciencias Computacionales (NCCS) de la ORNL y la otra como líder del laboratorio de ciencias del clima. Esfuerzo ORNL.

Al timón del NCCS, dirige el centro de supercomputación de ciencia abierta más poderoso del mundo. El NCCS alberga importantes investigaciones sobre la dinámica del clima y el desarrollo de fuentes de energía alternativas, así como una amplia gama de ciencias computacionales, desde exploraciones básicas en física nuclear y dinámica cuántica hasta exploraciones astrofísicas de supernovas y materia oscura.

Como líder de la Iniciativa de Cambio Climático de ORNL, está encargado de reunir a científicos e ingenieros de todo ORNL para promover el estado de la ciencia. Hack está especialmente calificado para asumir este papel. Antes de unirse a ORNL, dirigió la sección de modelos climáticos en el Centro Nacional de Investigación Atmosférica (NCAR) en Boulder, Colorado, y fue subdirector de la división de clima y dinámica global del centro.

Le preguntamos a Hack sobre el futuro de la ciencia climática y la iniciativa climática en ORNL.

Calendae: ¿Cómo evolucionará la investigación climática en los próximos años?

Cortar a tajos: La ciencia del clima ha sido en gran medida una investigación impulsada por la curiosidad. Pero la creciente aceptación de que los seres humanos influyen en la evolución de la composición atmosférica, el uso de la tierra, etc., que a su vez afectan el estado climático, proporciona un poco más de atención y un poco más de urgencia en dar una mirada más cercana a lo que las herramientas de modelado pueden ofrecer en forma de consecuencias específicas para la sociedad.

Esto para mí es transformación. Existe una necesidad creciente de mejoras en la fidelidad de la simulación y la capacidad predictiva. Los consumidores potenciales de este tipo de información de simulación dependerán en gran medida de la comunidad del cambio climático para proporcionar respuestas a sus preguntas. Este es el cambio que diferenciará los próximos 10 años de ciencia del cambio climático de los 30 anteriores.

Por ejemplo, sabemos por las observaciones de los últimos 50 años que la capa de nieve en el noroeste del Pacífico ha ido disminuyendo. Al mismo tiempo, la temperatura en la misma región ha aumentado. Si esta tendencia continúa, genera muchas preocupaciones para los gestores del agua que han estado contando con almacenar su agua en forma de nieve hasta cierta época del año en que comienza a derretirse.

Si la lluvia nunca cae como nieve o si comienza a derretirse antes de lo necesario, es posible que no pueda satisfacer sus demandas de agua. Es un ejemplo de una infraestructura vulnerable a cambios específicos en el estado climático de una región. Muchas de las soluciones a este problema también pueden traer consigo otras consecuencias ambientales.

Calendae: Entonces, ¿qué puede hacer para ayudar a los usuarios de datos climáticos?

Cortar a tajos: Necesitamos saber si podemos establecer con certeza cómo cambiará el clima en las escalas que importan a las personas. Una cosa es decirle a alguien que el planeta se calentará 2 grados Celsius entre ahora y 2100, pero realmente no ayuda a nadie en el negocio de la planificación o la gestión de la infraestructura social a escala regional. Sabemos por los modelos que no será un cambio sencillo. Las latitudes altas experimentarán quizás un aumento de temperatura de 8 grados, y las latitudes más bajas serán considerablemente más bajas. Y cuantificar los cambios en el ciclo hidrológico a escala regional puede ser incluso más importante que los cambios de temperatura.

Creemos que actualmente podemos tener la capacidad suficiente para proyectar el cambio climático a una escala regional del tamaño del sureste, noroeste del Pacífico, Montañas Rocosas occidentales o cinturón agrícola. Como comunidad, debemos demostrar que el potencial realmente existe y tratar de cuantificar las incertidumbres. Hasta ahora no hemos hecho un gran trabajo con este desafío. Pero creo que la comunidad científica está empezando a darse cuenta de que tenemos la oportunidad de dar un paso atrás y preguntarnos: «¿Qué podemos hacer a escalas regionales y temporales que creemos que son predecibles?»

Por ejemplo, se cree que las estadísticas climáticas tienen cierto poder de predicción en escalas de tiempo de diez años. El motor de esto residirá en el océano, cuyas escalas de movimiento tienen un marco de tiempo muy, muy largo. Existe la creencia en la comunidad científica de que el comportamiento de los océanos puede predecirse varias décadas en el futuro.

Si puede resolver la parte oceánica del problema, dado que el 70 por ciento del planeta está cubierto de agua, tiene una restricción muy fuerte en las otras partes del sistema. Entonces la pregunta es: «¿Seguirán los otros modelos de componentes?» La atmósfera no tiene capacidad predictiva determinista más allá de unas pocas semanas. De modo que se trata de estadísticas impuestas por componentes del sistema climático que tienen una variabilidad mucho más lenta que la atmósfera. Los componentes terrestres del sistema climático, en particular los cambios en el uso de la tierra, también entran en juego en escalas de tiempo más largas.

Calendae: ¿Estamos listos para hacer predicciones oceánicas?

Cortar a tajos: Como en el caso de la atmósfera, todavía estamos construyendo conocimiento sobre el componente oceánico. Un desafío difícil será inicializar el estado del océano con fines de pronóstico. Creo que existe una oportunidad increíble para las personas que quieren seguir el problema de la iniciación al océano.

Para proporcionar pronósticos a diez años, tendremos que tratar el problema climático como un problema de valor inicial y no como un problema de valor límite hipotético. Además de obtener el comportamiento estadístico correcto, la fase de variabilidad de baja frecuencia también debe ser correcta. Por ejemplo, prediga cuándo ocurrirá un El Niño o cuándo ocurrirá una La Niña. Si podemos predecir con precisión este tipo de comportamiento oceánico, existe evidencia de que otras características del estado climático se pueden reproducir con precisión. Se trata de inicializar el modelo correctamente e incorporar cuidadosamente toda la física necesaria en los respectivos modelos de componentes.

Calendae: ¿Cómo demuestra que comprende correctamente?

Cortar a tajos: Podemos desarrollar experimentos numéricos para evaluar si el modelo global puede producir información útil sobre las escalas temporales y espaciales de mayor importancia para los administradores y planificadores de recursos. Es posible que quieran saber hacia dónde se dirige la temperatura localmente, cómo es probable que se comporte el ciclo hidrológico o cómo cambiarán los eventos extremos. ¿Los modelos nos brindan el tipo de capacidad de predicción que necesitamos y, de no ser así, cómo se pueden mejorar?

Cuando comienza a reducir las ventanas a escalas espaciales muy pequeñas, ¿en qué punto la incertidumbre o el ruido natural en el sistema comienza a abrumar la señal que está tratando de encontrar? Podemos aclarar esto con simulaciones retrospectivas porque tenemos muchos datos para un período instrumental multidecadal. No es todo de la misma calidad, pero cuantifica lo que sucedió en el registro climático de una manera mucho más completa, digamos, que retrocediendo al paleoclima o incluso a unos pocos siglos. Las simulaciones retrospectivas de la última parte del siglo XX pueden ayudar a establecer cuantitativamente lo que los modelos pueden o no pueden hacer en escalas espaciales relativamente finas.

Calendae: ¿Cuál es el papel de la tecnología de la información en este esfuerzo?

Cortar a tajos: La informática es una parte importante del esfuerzo. Para evaluar completamente la habilidad de nuestras herramientas de modelado, necesitamos sistemas informáticos muy grandes: máquinas de petaescala. La asimilación de los flujos de datos que se utilizarán en la evaluación de los marcos de modelado requiere computadoras y sistemas de datos muy grandes.

Claramente, un elemento computacional significativo es el modelado: la construcción de modelos que tienen todos los componentes que necesitan para predecir con precisión la evolución del sistema climático de la Tierra. Es computacionalmente muy intenso. La incorporación de las complejidades del ciclo del carbono en estos modelos, utilizando la experiencia de la División de Ciencias Ambientales de ORNL, contribuye a las demandas computacionales. Y luego extraer los datos para abordar los problemas de los impactos humanos y los extremos climáticos, que también es muy desafiante desde un punto de vista computacional.

Entonces, el cálculo en realidad une todo el esfuerzo. Incluye todas las diversas aplicaciones de la ciencia climática. Hay algunas áreas de la ciencia en las que se necesita un laboratorio virtual para explorar experimentos hipotéticos, y esto es lo que proporciona la computación para el problema climático.

El modelado global es algo que ha sido financiado por programas como SciDAC [Scientific Discovery through Advanced Computing] y otros programas del DOE en colaboración con otros laboratorios nacionales como NCAR. Por ejemplo, existe una historia de casi 20 años de asociación entre ORNL y NCAR para el desarrollo de modelos globales y la implementación eficiente de modelos globales en sistemas informáticos de alto rendimiento. También estamos construyendo relaciones nuevas y sólidas con nuestra NOAA. [National Oceanic and Atmospheric Administration] y NASA [National Aeronautics and Space Administration] colegas de modelos climáticos, examinando modelos globales de alta resolución, cuantificando la capacidad predictiva en escalas de tiempo climáticas, identificando extremos climáticos en simulaciones globales y explorando los impactos climáticos en el contexto de modelos de evaluación integrados. Todo esto se basa en sólidas asociaciones preexistentes con muchos otros laboratorios del DOE.

Calendae: Está liderando un nuevo esfuerzo multidisciplinario en ORNL centrado en la ciencia del clima. ¿Cuál es el razonamiento detrás de este esfuerzo?

Cortar a tajos: ORNL ha identificado el cambio climático como una oportunidad que podría aprovechar de manera muy eficaz la experiencia existente, especialmente la informática de alto rendimiento y la larga trayectoria de ORNL de contribuir con conocimientos fundamentales sobre la ciencia del carbono y la modelización global. El laboratorio también tiene experiencia en la evaluación de impactos en la infraestructura social. Toma el aumento del nivel del mar. La mayoría de las personas que viven en todo el mundo viven cerca de las costas, por lo que si el nivel del mar sube incluso un metro, tiene un gran impacto en la sociedad. Las personas desplazadas tienen que ir a otro lugar, quizás mudándose a áreas que antes se usaban para la agricultura. Esto cambia las actividades agrícolas. ORNL tiene un SIG muy fuerte [geographic information systems] grupo que puede contribuir a la cuantificación de estos escenarios.

Por lo tanto, estamos tratando de combinar estas diversas habilidades para brindar una capacidad única en todos los laboratorios. El resultado final para nosotros es proporcionar a las partes interesadas, los administradores de recursos y otros la información que necesitan para abordar las consecuencias del cambio climático.

Calendae: ¿Cómo será la iniciativa de ORNL?

Cortar a tajos: Es una iniciativa transversal. Buscamos involucrar a personas de todo el laboratorio para ampliar el tipo de trabajo que están haciendo de una manera que requiera asociaciones con otras personas de ORNL. Hasta ahora, muchas de las propuestas más prometedoras incluyen colaboraciones que abarcan la Dirección de Ciencias Biológicas y Ambientales y el CCSD. [Computing and Computational Sciences Directorate].

A medida que la iniciativa madure, espero que comencemos a incorporar a más personas al campo de la energía, otra parte importante del programa científico de ORNL. Estas cosas podrían incluir formas de conectar el cambio climático y las preguntas difíciles que enfrentamos en la producción de energía, como la bioenergía y las tecnologías de energía renovable, así como el consumo de energía. Abordar directamente los problemas de mitigación del clima, como las estrategias de secuestro de carbono, es una oportunidad para esta iniciativa.

Desde el punto de vista de la producción energética, la planificación tiene un horizonte temporal multidecadal. Cualquiera que esté planificando inversiones en infraestructura energética debe comprender qué papel puede desempeñar el medio ambiente. Este es el objetivo: poder decir en 20 años: «Esto es lo que prevemos que ocurrirá en cuanto al cambio ambiental a escala regional».

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