Articoli di approfondimento - I modelli climatici sulla passerella dei supercomputer
I modelli climatici sono fondamentali per preparare la società ai potenziali impatti dei cambiamenti climatici, ma la scienza è estremamente complessa e soffre ancora di una notevole incertezza. Le previsioni attuali indicano che la temperatura potrebbe salire ovunque tra 1,1 e 6,4°C nel periodo 1990-2095. Si tratta di una variazione enorme. "Il fattore di incertezza individuale più importante nella modellazione del clima sta nel cambiamento della nuvolosità", dice Petri Räisänen dell'Istituto meteorologico finlandese e ricercatore del progetto MillCli . "Se in futuro dovessero aumentare le nubi basse, verrà riflessa più radiazione solare nello spazio, cosa che sarebbe poi sfavorevole per il riscaldamento globale. D'altro canto, se le nuvole basse dovessero diminuire, ciò significherebbe un'escalation per il riscaldamento globale", dice il dottor Räisänen. Così il progetto MillCli ha utilizzato le risorse di supercalcolo fornite da DEISA ("Distributed European infrastructure for supercomputing applications") per studiare due principali fattori di incertezza nei modelli climatici: le nubi e la loro interazione con le radiazioni. DEISA è una risorsa estremamente importante per gli scienziati europei come il dottor Räisänen. Nel corso di circa cinque anni e due fasi di progetto, DEISA ha unito i più potenti supercomputer europei in rete e ha sviluppato strumenti per aiutare i ricercatori a utilizzare questa enorme potenza di calcolo, a prescindere dalla loro sede. Il team ha anche fornito assistenza e consulenza per assicurarsi che i ricercatori possano ottenere il massimo beneficio dalle apparecchiature disponibili. Così ora, per esempio, gli scienziati irlandesi possono utilizzare supercomputer tedeschi ottimizzati da programmatori olandesi e sostenuti da esperti tecnici spagnoli, francesi o italiani. È davvero una piattaforma di supercalcolo paneuropea. Parte del lavoro di DEISA ha portato allo sviluppo di DECI ("DEISA extreme computing initiative"), che mette le risorse di livello mondiale a disposizione degli scienziati europei impegnati a risolvere problemi scientifici davvero complessi. Infatti, DECI ha sostenuto numerose iniziative di ricerca sul cambiamento climatico in tutta Europa - soprattutto in relazione alla modellazione e simulazione - ed è stata preziosa per il lavoro di MillCli. "Anche se i nostri calcoli hanno consumato solo il 12% della quota di CPU assegnata a MillCli, sono comunque troppo vasti per essere eseguiti con le risorse di calcolo disponibili presso l'Istituto meteorologico finlandese,' osserva il dott Räisänen. MillCli aveva bisogno di computer estremamente potenti per capire le nuvole e le radiazioni, e come vengono rappresentate nei modelli attuali. "Il problema più importante qui è la risoluzione insufficiente", osserva il dott Räisänen. "L'atmosfera modello è costituita da una griglia di celle che rappresentanto ognuna un'area di 200x200 km e un'altezza di 0,5-1 km. Molti processi che influenzano la generazione e le proprietà di formazione delle nuvole si verificano su scala molto più piccola." Molto apprezzato MillCli ha usato il modello GCM (General circulation model) dell'atmosfera di ECHAM per studiare il problema in questione. ECHAM5 è la quinta generazione del modello, che è stato sviluppato dall'Istituto Max Planck per la meteorologia. È un modello molto apprezzato nell'ambito degli studi sul clima ed è stato uno dei GCM utilizzati dal Gruppo intergovernativo per i cambiamenti climatici per predire il tasso di riscaldamento globale di questo secolo. "L'obiettivo era di studiare come l'uso di un trattamento più avanzato della struttura delle nubi su scala di sottogriglia - con caratteristiche più dettagliate del modello a spaziatura griglia 200 km - influenza il clima simulato da ECHAM5, e in particolare la sua sensibilità a un aumento della CO2 atmosferica." Il team ha usato tre varianti di ECHAM5. La prima ha utilizzato uno schema di "umidità relativa" (RH) semplice per stabilire la frazione di nuvola in ogni cella della griglia. La seconda versione ha utilizzato un trattamento più sofisticato della nuvolosità sulla base di uno schema di nuvole innovativo sviluppato da Adrian Tompkins. Questo cosiddetto schema di Tompkins stima la frazione di nuvola e anche la variabilità su scala di sottogriglia dell'acqua della nuvola, basata sulla funzione di distribuzione della probabilità del contenuto d'acqua all'interno di una cella della griglia. Un terzo modello conteneva la funzione Tompkins e ha sostituito lo schema standard di radiazione di ECHAM5 con uno schema più avanzato che tratta la struttura delle nubi direttamente su scala di sottogriglia. I ricercatori hanno testato ogni versione del modello con piste di 100 anni, una per la concentrazione pre-industriale di CO2 di 286,2 "parti per milione per volume" (ppmv) e un'altra per un valore elevato di 450 ppmv. Essi hanno inoltre eseguito un gran numero di brevi prove per agevolare l'interpretazione dei risultati. I calcoli sono stati effettuati su un computer SGI Altix 4700 presso il Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) di Monaco di Baviera, in Germania. Durante i calcoli di MillCli sono stati impiegati 28 processori per ogni esecuzione e un anno simulato ha richiesto circa 6-7 ore di orologio. Sono state effettuate diverse simulazioni in parallelo. "Dal punto di vista della simulazione del clima attuale, le differenze tra le tre versioni del modello erano relativamente piccole. Quando le strutture dei campi di nuvola simulati sono state confrontate con i dati osservativi derivati da immagini satellitari, sono stati rilevati errori sistematici simili nelle diverse versioni del modello", dice il dottor Räisänen. Questo quadro è cambiato radicalmente quando i ricercatori hanno continuato il loro calcolo e, con le diverse versioni del modello, hanno mostrato evidenti differenze nelle simulazioni dei cambiamenti climatici nel tempo, nonostante i risultati simili nella simulazione del clima attuale. "La prima versione, utilizzata come punto di partenza, ha indicato un riscaldamento del clima inferiore rispetto a quello prodotto dalle altre due versioni. La terza versione ha mostrato la più alta risposta a un aumento di CO2 e un riscaldamento quasi del 50% maggiore rispetto alla prima versione", rivela il dottor Räisänen. Infatti, il riscaldamento globale medio causato dall'aumento di CO2 da 286,2 ppmv a 450 ppmv era di 2,02 Kelvin (K) per il primo modello, 2,73 K per il secondo e 3,01 K per l'ultima. "Il risultato si spiega con il fatto che, nelle due versioni basate sullo schema nuvola Tompkins, il riscaldamento globale riduce la nuvolosità di basso livello. Ciò significa che le radiazioni solari riflesse verso lo spazio sono ridotte, ma la quantità di radiazione termica che si allontana dalla Terra nello spazio non cambia molto", osserva Räisänen. "Quindi, questo genera un fenomeno di feedback positivo che rafforza il riscaldamento globale. Ma non sappiamo attualmente cosa causa in definitiva la riduzione della nuvolosità di basso livello." Secondo il dottor Räisänen, i risultati sostengono la conclusione che, anche se i modelli sembrano produrre simulazioni molto simili del clima attuale, possono comunque produrre notevoli differenze per quanto riguarda la forza dei cambiamenti climatici nel tempo. È pertanto difficile valutare l'affidabilità delle previsioni dei cambiamenti climatici sulla base di quanto il modello sia capace si simulare bene il clima attuale. Sarebbe consigliabile indagare al di là delle semplici medie temporali, suggerisce. Una domanda generale che non ha ancora ottenuto risposte plausibili - secondo il dott. Räisänen - è quali caratteristiche nelle simulazioni del clima di oggi sono fondamentali per la simulazione dei cambiamenti climatici futuri. Quindi, l'incertezza circa il tasso di riscaldamento globale rimane, ma la ricerca MillCli ha dimostrato che una riduzione della nuvolosità di basso livello avrà un grande impatto sulla temperatura e sul tasso del cambiamento climatico. DEISA2 ha ricevuto finanziamenti per ben 10,24 milioni di euro (di un bilancio totale di 18,65 milioni di euro) nell'ambito del Settimo programma quadro di ricerca dell'UE, sottoprogramma "Infrastrutture grid e-Science". Link utili: - "Distributed European infrastructure for supercomputing applications" - Record dei dati del progetto DEISA2 su CORDIS - Programma/progetti e-Infrastructures - Progetto MillCli Articoli correlati: - Linking supercomputers to simulate the sun, the climate and the human body - Supercomputers target HIV - Articoli di approfondimento - Il supercalcolo calma le acque agitate - Supercomputing gets its own superhero - The grid: a new way of doing science - I ricercatori europei impegnati nella fusione faranno ricorso a risorse di supercalcolo