Цифровая Земля проснулась: суперкомпьютеры теперь способны проживать век климата за несколько дней

Исследователи из Института Макса Планка (Германия) разработали самую детализированную в истории цифровую копию нашей планеты. Новый климатический симулятор способен отслеживать как мгновенные погодные явления, так и долговременные изменения климата, обеспечивая точность расчётов до одного километра.

Цифровая Земля: как устроен "двойник" планеты

Модель разделяет поверхность суши и океана на 336 миллионов ячеек, каждая из которых соответствует квадрату площадью примерно 1x1 км. Для атмосферы над каждой ячейкой создан дополнительный "слой" с аналогичным разрешением, что позволяет учёным моделировать все важные процессы — от микроскопических вихрей в облаках до глобальных океанских течений.

"Это первый случай, когда нам удалось объединить быстрые и медленные климатические процессы в одной системе, сохранив при этом столь высокое разрешение", — отмечают авторы проекта из Института Макса Планка.

Каждая ячейка снабжена набором взаимосвязанных моделей, которые описывают энергетические, водные, химические и биологические циклы планеты. Такой подход позволяет наблюдать, как мгновенные атмосферные явления влияют на медленные процессы — например, как частые грозы или ураганы могут ускорять деградацию почв или таяние льдов.

Быстрые и медленные системы Земли

Все процессы, описанные в цифровой копии планеты, учёные разделили на два типа:

• быстрые системы — это энергетические и водные циклы. К ним относятся атмосферная циркуляция, формирование осадков, испарение и теплообмен. Для таких систем важно высокое разрешение, ведь грозовой фронт может перемещаться из одной ячейки в другую всего за несколько минут;

• медленные системы — круговорот углерода, динамика биосферы и изменения геохимического состава океана. Эти процессы развиваются в течение десятилетий и столетий, и их точное моделирование позволяет выявлять глобальные климатические тренды.

"Ранее такие разные по скорости системы приходилось рассчитывать отдельно. Теперь они соединены в единую модель, что делает симуляцию климата гораздо реалистичнее", — подчёркивают учёные.

Суперкомпьютеры нового поколения

Создание цифрового "двойника" Земли стало возможным благодаря уникальной вычислительной архитектуре. Проект использует ресурсы суперкомпьютеров, размещённых в Германии и Швейцарии, которые объединяют графические процессоры (GPU) и центральные процессоры (CPU) в одном вычислительном узле.

Быстрые климатические процессы выполняются на GPU — эти чипы отлично справляются с параллельными вычислениями, необходимыми для симуляции миллионов ячеек. Медленные процессы, требующие сложных расчётов и долговременной памяти, обрабатываются на CPU. Такое разделение ролей позволило увеличить скорость симуляции в десятки раз без потери точности.

По оценке разработчиков, цифровая Земля создаёт эквивалент 100 лет климатической истории всего за несколько дней работы.

Зачем нужна такая модель

Главная цель проекта — улучшить точность прогнозов погоды и климата. Традиционные модели с разрешением 10-25 км не способны учитывать локальные явления, такие как смерчи, тепловые купола или микроскопические конвекционные потоки.

С разрешением в один километр учёные смогут:

• точнее прогнозировать экстремальные явления — ураганы, засухи, ливни;

• моделировать ледниковые процессы и таяние вечной мерзлоты;

• отслеживать влияние океанических течений на глобальное потепление;

• разрабатывать сценарии адаптации городов и сельского хозяйства к изменениям климата.

"Наша цель — создать систему, которая не только предсказывает погоду, но и помогает понять, как сегодняшние решения влияют на климат через десятилетия", — отмечают исследователи.

Глобальное значение и будущее проекта

Новый цифровой "двойник" Земли станет частью международной инициативы Destination Earth, запущенной Европейским союзом. В дальнейшем к модели будут подключены данные спутников, датчиков океанических буев и станций наблюдения за атмосферой, чтобы сделать симуляцию ещё точнее.

Учёные рассчитывают, что подобные цифровые копии позволят проверять экологические сценарии без риска для природы — например, моделировать последствия вырубки лесов, загрязнения океанов или изменения орбит спутников.

Сейчас команда Института Макса Планка уже работает над новой версией модели, где разрешение будет доведено до 100 метров. Это позволит рассматривать отдельные города и даже районы в масштабе, сопоставимом с реальностью.

Технологии, приближающие будущее

Модель Земли стала одной из самых сложных симуляций, когда-либо созданных человеком. Она не просто отображает планету — она воспроизводит её поведение, показывая, как каждая молекула воды или порыв ветра влияет на глобальные процессы.

Это не просто шаг к более точным прогнозам — это начало новой эпохи климатического моделирования, в которой суперкомпьютеры и нейросети становятся инструментом защиты планеты от собственных угроз.