Earth Digital Twin, progetto per gemello digitale della Terra

14 Ottobre 2021

Durante la ESA Φ-week 2021, è stato presentato “Earth Digital Twin”, il progetto che mira a realizzare il “gemello digitale” della Terra per studiare, comprendere e prevedere gli impatti sul nostro pianeta derivanti da fenomeni naturali e dalle attività umane. Luca Brocca, Direttore di ricerca presso il Consiglio Nazionale delle Ricerche, ha partecipato ai lavori contribuendo alla componente “Digital Twin Hydrology”.

Earth Digital Twin ( o Digital Twin of Earth DTE)

In che modo una replica digitale della Terra può aiutarci a comprendere il passato, il presente e il futuro del nostro pianeta? Nell’ambito della quarta edizione di Φ-week che si svolge questa settimana, un gruppo di scienziati europei ha presentato le proprie idee sull’implementazione pratica di Digital Twins e sulle potenziali aree di applicazione di Digital Twin Earth nel mondo reale.

Nei prossimi decenni, si prevede che la crescita della popolazione e le attività umane amplificheranno le attuali pressioni su risorse critiche come acqua dolce e cibo, intensificheranno lo stress sugli ecosistemi terrestri e marini, nonché aumenteranno l’inquinamento ambientale e i suoi impatti sulla salute e sulla biodiversità.

Queste minacce, che comprendono l’innalzamento del livello del mare, l’aumento dell’acidificazione degli oceani e eventi estremi più intensi come inondazioni e ondate di calore, dovranno essere attentamente monitorate, soprattutto per le nostre popolazioni più vulnerabili.

Rispondendo a queste sfide, l’ESA si è riunita all’edizione 2020 di Φ-week per discutere di come l’osservazione della Terra può contribuire alla creazione di un gemello digitale della Terra: una replica digitale e dinamica del nostro pianeta che imita accuratamente il comportamento della Terra.

Costantemente alimentato con dati di osservazione della Terra, combinati con misurazioni in situ e intelligenza artificiale, Digital Twin Earth aiuterà a visualizzare e prevedere l’attività naturale e umana sul pianeta. Il modello sarà in grado di monitorare la salute del pianeta, eseguire simulazioni del sistema interconnesso della Terra con il comportamento umano e contribuire a sostenere le politiche ambientali europee.

Nel settembre 2020, l’ESA ha lanciato diverse attività sui precursori della Terra Digital Twin per esplorare alcune delle principali sfide scientifiche e tecniche nella costruzione di un gemello digitale della Terra. Queste attività includevano: foresta, idrologia, Antartide, sistemi alimentari, oceani e punti caldi del clima.

Ogni attività ha affrontato una diversa sfida scientifica, tecnica e operativa relativa a Digital Twin Earth, compreso il ruolo dell’intelligenza artificiale e dei dati coerenti, la credibilità scientifica del coinvolgimento degli stakeholder e il ruolo dei modelli settoriali e dell’infrastruttura Information and Communication Technology (ITC).

Alla ESA Φ-week 2021, gli esperti della comunità hanno presentato i risultati delle attività dell’ultimo anno.

Digital Twin Antarctica

L’Antartide è un importante serbatoio di acqua dolce per il mondo, con un enorme potenziale per contribuire all’innalzamento del livello del mare in futuro. Gli attuali modelli della calotta glaciale presentano importanti differenze e deviazioni tra i modelli, nonché una forte variabilità nelle aree instabili.

Per questi motivi è necessario un gemello digitale dell’Antartide. Noel Gourmelen, dell’Università di Edimburgo, ha commentato: “Sfruttando le osservazioni satellitari, le simulazioni numeriche e l’intelligenza artificiale, abbiamo costruito un gemello del sistema della calotta glaciale antartica, la sua idrologia, l’oceano circostante, l’atmosfera e la biosfera. Abbiamo usato il gemello antartico per tracciare la posizione dell’acqua di fusione sopra e sotto la calotta glaciale e per esplorare come le piattaforme di ghiaccio si sciolgono in vari scenari idrologici”.

Digital Twin Food Systems

Il gemello digitale Food Systems simula quotidianamente le attività agricole e le interazioni all’interno degli ecosistemi. Diversi modelli possono essere eseguiti separatamente per ciascuna unità di simulazione, a seconda del sistema di gestione delle colture, dell’acqua e dell’irrigazione.

Chandra Taposea, di CGI IT UK Lt, ha dichiarato: “Digital Twin Earths e lo scopo che stiamo cercando di perseguire sono fondamentali per aiutarci a raggiungere il prossimo passo nel processo sense-making e decision-making per essere in grado di aiutare sia i singoli utenti che i decisori politici su larga scala. Il nostro Digital Twin Food Systems è riuscito a integrare modelli di diversi domini, osservando come le precipitazioni estreme influenzerebbero i modelli di colture globali, ma non senza le sue prove e tribolazioni”.

Digital Twin Hydrology

Luca Brocca, del Consiglio Nazionale delle Ricerche, Italia, spiega cosa comporta l’Hydrology Digital Twin: “Nel progetto ESA Digital Twin Earth Hydrology, abbiamo sviluppato una ricostruzione 4D dell’idrologia dinamica a una risoluzione senza precedenti attraverso l’integrazione di earth observation con un avanzato sistema di modellazione. Il Prototipo DTE Hydrology è stato utilizzato per la gestione delle risorse idriche e per l’identificazione di luoghi e tempi di rischio di frane e alluvioni nel bacino del fiume Po, nel nord Italia.

Climate Impacts Digital Twin

Il Climate Impacts Digital Twin consentirà ai decisori, senza conoscenze tecniche esperte, di generare e visualizzare in tempo reale informazioni rilevanti per decisioni relative agli impatti regionalizzati dei cambiamenti climatici.

Robert Parker, dell’Università di Leicester, ha dichiarato: “Il nostro Climate Impact Explorer Digital Twin, inizialmente focalizzato sulla siccità africana, utilizza una combinazione innovativa di osservazione della Terra, modellazione ambientale e Machine Learning per offrire capacità di supporto decisionale avanzate direttamente ai nostri stakeholder.

“Attraverso l’emulazione di questi modelli complessi e implementandoli come strumenti basati su cloud veloci e semplici, il nostro prototipo aiuta a democratizzare l’accesso a questi sistemi esperti, offrendo alle parti interessate la capacità di esplorare potenziali risposte alla siccità causate dal clima”.

Forest Digital Twin

Matti Motus, Principal Scientist di VTT, spiega come funziona Forest Digital Twin: “Questo gemello digitale sarà un gemello digitale della Terra specializzato, che fornirà una ricostruzione del sistema forestale a livelli di dettaglio non possibili con modelli generici di superficie terrestre. L’osservazione satellitare della Terra, in particolare i dati di alta qualità Copernicus Sentinel, ci consente di ottenere informazioni uniche e uniformi per tutte le foreste del globo.

“Trasformare questo per comprendere la struttura delle foreste e guidare modelli di funzionamento forestale richiede misurazioni locali, che sono molto più sparse ed eterogenee. Nel progetto precursore, abbiamo imparato come superare questi ostacoli e fornire previsioni di crescita e bilancio del carbonio per diverse foreste in Europa. Ora sappiamo di avere gli strumenti di base e la potenza di calcolo per costruire un gemello digitale delle foreste pienamente funzionante. È stato un viaggio molto emozionante, ma impegnativo, soprattutto considerando che è stato pienamente implementato durante le restrizioni legate al Covid”.

Ocean Digital Twin

Questo Ocean Digital Twin si concentrerà sull’esplorazione del potenziale dell’intelligenza artificiale per apprendere direttamente dai dati attuali e del passato e dal comportamento del sistema Terra, allo scopo di prevedere il futuro degli eventi oceanici.

Betrand Chapron, di IFREMER, ha dichiarato: “Il progetto Digital Twin Ocean affronta due fenomeni molto distinti in due bacini oceanici molto contrastanti: le ondate di calore nel Mar Mediterraneo e le dinamiche del ghiaccio marino per aiutare a valutare l’amplificazione degio effetti dell’Artico. In parole povere, sono state seguite due strategie.
Il primo è stato l’approccio data-driven, in cui i dati aumentati da modelli operativi numerici regolarmente campionati che assimilano i dati, vengono utilizzati per guidare le capacità di visualizzare e analizzare le ricorrenze dei sistemi dinamici oceano-atmosfera, e l’approccio model-driven, dove un numero elevato di simulazioni, alimentate da dati campionati irregolarmente, vengono utilizzate per valutare le conseguenze a larga scala e lungo termine prodotte delle piccole scale”.

(Fonte: ESA)