Наша планета не смогла бы существовать без воды. Она покрывает 71% поверхности, причем океаны занимают около 97% этого объема. Однако климат в последнее время активно меняется. Некоторые ученые видят причину этого в сжигании ископаемого топлива и в других источниках.
Когда вода несет смерть
Метеорологам становится сложнее прогнозировать любые стихийные бедствия, в которых замешана вода. Изменчивость климата не позволяет вовремя рассмотреть угрозы наводнений, сильных ливней, а вместе с ними — оползней.
Чтобы исследователи могли делать максимально точные прогнозы и лучше понимать функционирование водного цикла, необходимо собирать и анализировать модели с обширным набором данных высокого разрешения. В идеале эти данные должны охватывать каждый уголок планеты, начиная от самых высоких гор и заканчивая водой, спрятанной глубоко под землей.
Новый подход
Именно этим сейчас и занимаются ученые в рамках проекта Европейского космического агентства: они создают цифровой двойник Земли с ее водными ресурсами, которые можно исследовать.
«Воспроизвести Землю в высоком разрешении крайне сложно, поэтому мы решили для начала сфокусироваться на конкретных целях, — прокомментировал работу Лука Брокка из Национального исследовательского совета Италии. — Это основная идея нашего проекта: разработка тематических исследований цифровых двойников для водного цикла на территории Средиземного бассейна. Наша цель — создать систему, которая позволит неспециалистам, включая лиц, принимающих решения, и обычных граждан, запускать интерактивные симуляции».
Цифровой двойник
Лука Брокка, ведущий автор статьи об исследовании, работал вместе с коллегами над созданием цифрового двойника планеты. С помощью этой модели ученые могут непрерывно вводить новые данные и моделировать сценарии различных бедствий, таких, как оползни, в реальном времени. Это позволяет отслеживать связанные риски и условия, в значительной степени способствует подготовке к вероятным разрушительным событиям в будущем на основе полученных данных каждого теста.
Ученым пришлось проделать большую работу, чтобы максимально эффективно использовать спутниковые данные, накопленные за многолетнюю историю наблюдения Земли. Исследователи интегрировали информацию о влажности почвы, осадках, глубине снежного покрова, испарении рек, собранную за разные временные промежутки, чтобы создать детализированную картину изменений по всей планете. Такие модели с высоким разрешением теперь могут служить интерактивными инструментами для научного сообщества.
«Этот проект — замечательный пример того, как передовые спутниковые миссии и научное сообщество могут работать в гармонии, — отметил Брокка. — Сотрудничество и инвестиции в вычислительные мощности будут ключевыми для управления последствиями климатических изменений и антропогенных факторов».
Как и любая модель, этот проект требует времени и практики для достижения наилучших результатов. Но важно с чего-то начать.
Истоки революции
На первоначальном этапе работы Брокка и его команда использовали цифровой двойник для моделирования долины реки По на севере Италии, а также других регионов Средиземноморья. Ученые планируют создать аналогичные модели водоемов всей Европы, а затем наладить сотрудничество с коллегами с других континентов. Это поможет не только предсказывать наводнения и оползни, но и в принципе улучшить управление водными ресурсами.
«Мы решили начать с хорошо изученных нами областей, — пояснил Брокка. — Долина реки По является сложным регионом: здесь Альпы, снежные покровы которых трудно моделировать из-за их сложного рельефа. В долине также размещены многочисленные объекты человеческой деятельности, такие, как промышленные зоны и ирригационные системы. Помимо этого, здесь происходят экстремальные природные явления — наводнения и засухи. Далее мы обратили внимание на Средиземное море, которое является идеальной зоной для исследования как излишков, так и дефицитов воды».
Пока что команда сосредоточена на более масштабных проблемах, но в планах есть и локальные исследования. Ученые отмечают, что, несмотря на сложные алгоритмы, требующие доработки под значительные объемы данных, а также необходимость увеличения числа наземных наблюдений для проверки спутниковой информации, они настроены оптимистично.
Исследователи отмечают, что при использовании спутниковых данных сложно учитывать факторы неопределенности. Брокка планирует интегрировать искусственный интеллект в свою программу: это поможет устранить ряд искажений информации.
ИИ сможет выступать как дополнительный аналитический инструмент, если его должным образом обучить. Это уже подтвердилось на практике: системы искусственного интеллекта внедряются в погодные модели, например, для прогнозирования лесных пожаров. Результаты показали, что участие нейросети значительно снизило риск ошибок, связанных с изменениями атмосферных условий во время съемки. Таким подходом можно еще и сэкономить время специалистов, позволив им сосредоточиться на более сложных и важных задачах.
«Участие ученых, космических агентств и политиков открывает перспективное будущее, где цифровые двойники Земли для гидрологии предоставят важнейшую информацию для устойчивого управления водными ресурсами и эффективной борьбы с чрезвычайными ситуациями, — отметил Брокка. — В будущем аналогичные методы можно будет использовать и с другими стихийными бедствиями, такими, как лесные пожары».
