Digitalni dvojček oceanov

Pri Nasi in drugih vesoljskih agencijah skoraj vedno sestavijo še zemeljsko repliko vesoljskih plovil. Še več takšnih dvojčkov pa je digitalnih. Dvojnike namreč tako v znanosti kot industriji in širše uporabljajo za boljše razumevanje in predvidevanje delovanja različnih procesov. Zdaj si evropski znanstveniki prizadevajo, da bi naredili tudi digitalno kopijo narave, bolj natančno, oceanov.

Uporaba digitalnih dvojčkov, natančnih digitalnih replik predmetov ali okolij, je v inženirstvu in proizvodnji že nekaj povsem običajnega. Sam koncept ni nov – nova je njegova uporaba v naravnem okolju. Digitalne kopije prinašajo revolucionarna dognanja o oceanih, morjih in vodah ter korenito vplivajo na našo sposobnost, da jih zaščitimo in obnovimo.

»Kot pomorski znanstveniki poskušamo razumeti sisteme in njihovo dinamiko. To nam omogoča, da razvijamo modele in napovedi za oceane, podobno kot vremenske napovedi za ozračje. Zdaj lahko pogledamo daleč v prihodnost, vendar si nikoli nisem mislil, da se bomo premaknili v takšno smer oceanskega inženiringa, kot smo ji priča danes,« je povedal Martin Visbeck, vodja raziskovalne enote za fizikalno oceanografijo v centru za raziskovanje oceanov Geomar Helmholtz v Kielu v Nemčiji in profesor na tamkajšnji univerzi.

»Všeč mi je ime 'podvojitev', ker kaže na evolucijo. To je dokaz, kako zelo je pomorska znanstvena skupnost napredovala. Prehajamo od razumevanja k namenskemu oblikovanju pozitivnih rezultatov za oceane s podpiranjem naravnih rešitev, optimizacijo modre ekonomije za nizke vplive na okolje ter optimizacijo velikosti in lokacij zaščitenih morskih območij.«

Profesor Visbeck je del ambiciozne skupine znanstvenikov, ki podpirajo razvoj evropskega programa Obnovimo naše oceane in vode do leta 2030. Digitalni dvojček oceana, bolj znan po kratici DTO (Digital Twin of the Ocean), je ključni sestavni del te pobude, katere širši cilj je uresničiti evropski zeleni dogovor.

Ključni podatki o našem svetu

Od podrobnosti do celote

Znanih je veliko primerov, kako so lahko digitalni dvojčki v pomoč raziskovalcem in zasebnemu sektorju pri modeliranju prihodnjih učinkov podnebnih sprememb in širšega vpliva ljudi na okolje. Eden takih primerov je norveško ribogojništvo, kjer se gojitelji lososov v fjordih borijo proti morskim ušem. Simulacija digitalnega dvojčka kmetom pomaga najti najboljše rešitve, s katerimi bi preprečili širjenje teh drobnih parazitov.

Drug primer najdemo na nizko ležečih predelih Nizozemske, kjer poskušajo s tehnologijo digitalnega dvojčka optimizirati ukrepe za zaščito pred dvigovanjem gladine morja. Ta lokalni digitalni dvojček je bil na primer zasnovan za pridobivanje podatkov, ki so potrebni za obrambne strategije proti dvigovanju morske gladine, ki vključujejo optimizacijo mešanice za razširitev nasipov, obogatitev peščenih obrežij ali okrepitev rasti mangrov ali koralnih grebenov.

»Delčke digitalnih dvojčkov že imamo,« je dejal profesor Visbeck. »Ne gre za to, da nimamo tehnologije, toda današnji dvojčki vključujejo sektorje ali zelo ozka področja. Veselimo se digitalnega dvojčka oceana in oblikujemo okvir, s katerim bodo podatki in modeli veliko bolj povezani in interoperabilni, tako da se bomo lahko resnično posvetili širšim vprašanjem in raziskali učinke na druga območja oceana.«

Kakorkoli ga premerimo – ocean je ogromen. Težko si je predstavljati, toda kar 97 odstotkov vode na Zemlji se nahaja v oceanih. To pomeni, da je razvoj modelov, ki omogočajo celostno razumevanje globalnega oceanskega ekosistema, zapleten in zahteva obsežna podatkovna jezera, kjer je shranjena velika količina neobdelanih podatkov v svoji izvorni obliki, napredne sisteme v oblaku in visokozmogljivo računalniško obdelavo podatkov. Pomembno pa je tudi črpanje iz obstoječih virov, kot so program Copernicus za spremljanje morskega okolja (CMEMS), Evropska mreža za pomorsko opazovanje in podatke (EMODnet) in raziskovalne infrastrukture evropske komisije, kot so EMSO, Euro-Argo, Danubius ali Jerico, pa tudi iz digitalnih zmogljivosti, kot je Evropsko skupno podjetje za visokozmogljivo računalništvo.

»Digitalna upodobitev oceana nam bo pomagala pri preizkušanju rešitev v prihodnosti.« FOTO: Jure Eržen

Digitalna slika morja

»Trenutno uporabljamo digitalne oceanske sisteme za napovedovanje vedenja oceana in posredovanje informacij,« je povedal Pierre Bahurel, generalni direktor organizacije Mercator Ocean International ter arhitekt in upravljavec programa CMEMS. »Zdaj je nastopil čas, da tisti, ki spremljajo oceane, in tisti, ki zagotavljajo informacijske storitve, začnejo delati skupaj in združijo različna sredstva. To zdaj počnemo v programu za obnovo naših oceanov in voda. S povezovanjem različnih projektov bomo na primer lahko na koncu pripravili prvo različico integriranega digitalnega dvojčka oceana.«

Bahurel je navdušen nad priložnostjo, da bo lahko uporabil najboljše dosežke pomorske znanosti in tehnologije ter dvignil oceanografijo na povsem novo raven. »Nekateri bodo morda rekli, da je prezgodaj, drugi pa, da smo prepozni, a mislim, da je zdaj pravi trenutek,« je dejal Bahurel, ki je sodeloval tudi v evropskem programu Copernicus. »Seveda smo potrebovali kar nekaj let in pot ni bila enostavna. Toda srečali smo se z vsemi sodelujočimi ter s tekmeci, ki so si prizadevali za iste stvari, in odločili smo se, da se z njimi povežemo.«

Enako bodo ravnali tudi raziskovalci, ki ustvarjajo digitalni dvojček oceana. »Dali bomo vse od sebe, da čez eno leto predstavimo nekaj konkretnega,« je dodal Bahurel. »V šestih mesecih si želimo oblikovati dober načrt. Poznamo vse sodelujoče in vemo, kaj narediti. Mislim, da bomo potrebovali nekaj let, da bo naš načrt deloval v obsegu, o katerem sanjamo, vendar bo resnično fantastičen.«

Kopija oceana, ki bo dostopna v oblaku

Znanje, pridobljeno iz dvojčka oceana, bo ključno za znanstvenike, politike in javnost, da bodo razumeli vlogo, ki jo imajo narava in ljudje pri oblikovanju prihodnosti oceanov. Pomagalo bo tudi pri oblikovanju najboljših politik in načinov za upravljanje oceanskih in vodnih virov, da bi dosegli cilj Evropske unije o dosegu ogljične nevtralnosti do leta 2050.

To je pomembna prelomnica za strokovnjake na področju oceanskega napovedovanja, kot je Nadia Pinardi, profesorica oceanografije na Univerzi v Bologni, ki je usklajevala spremljanje in ocenjevanje v okviru kontrolne točke evropske mreže EMODnet v Sredozemskem morju.

Razvoj modelov, ki omogočajo celostno razumevanje globalnega oceanskega ekosistema, je zapleten in zahteva obsežna podatkovna jezera, napredne sisteme v oblaku in visokozmogljivo računalniško obdelavo podatkov. FOTO: Matej Družnik

»Digitalna upodobitev oceana nam bo pomagala pri preizkušanju rešitev v prihodnosti,« je pojasnila. »Inženirska podjetja preizkušajo zanesljivost fizičnih objektov tako, da jih najprej simulirajo v digitalnem okolju, in mi bomo enako storili tudi za ocean. Digitalni dvojček nam torej omogoča, da zaščitimo naše obalno okolje tako, da se vnaprej prepričamo, katere rešitve so najboljše.«

Primer: profesorica Pinardi napoveduje, da bo digitalni dvojček oceana pomagal graditi odpornost proti nevarnostim, ki grozijo obalam zaradi neviht in dvigovanja morske gladine. »Nevihtni valovi so posledica učinkov plimovanja in močnih vetrov. Kakšna je rešitev za učinkovito obrambo obale ter zaščito življenj in lastnine? Dosedanje rešitve so bile v obliki fizičnih ovir, ki so jih postavili pred obalo, in nanosov novih plasti peska na plaže. Nekateri so morda mnenja, da je bolje uporabiti naravne rešitve, kot so morska trava in mangrove, saj ima narava prirojeno zmožnost zaščite obalnih območij … Tu nam lahko priskoči na pomoč digitalni dvojček, ki nam jasno pokaže delovanje različnih rešitev, tako da lahko izberemo pravo.«

Digitalni dvojček oceana bo raziskovalcem pomagal napovedati, kako bodo podnebne spremembe in človeška dejavnost vplivale na morske ekosisteme, kot so morski travniki v Sredozemlju, in na migracije tunov. Hkrati bi lahko tehnologija omogočila optimizacijo proizvodnje s predvidevanjem slanosti, tokov in ekstremnih toplotnih dogodkov z dnevnim napovedovanjem kisika, hranilnih snovi, nitratov ali škodljivega cvetenja alg. Digitalna kopija oceana bo obenem olajšala delo lokalnim oblastem pri testiranju zeleno-modrih infrastrukturnih rešitev, odpornih na dvigovanje morske gladine, glede na različne scenarije.

Državljani bodo z odprtimi in javnimi modeli tehnologije digitalnega dvojčka pridobili virtualni povratni tok informacij, v katerem bodo lahko tudi sodelovali in zagotavljali poročanje o svoji okolici v realnem času. Te informacije bodo koristile tudi za izboljšanje modelov bioloških in ekoloških opazovalnih kampanj (kot v primeru morskih odpadkov) ali za prehodno načrtovanje v primeru opozoril o izrednih vremenskih razmerah, napovedih nevarnega cvetenja meduz ali plažah, ki niso varne za plavanje.

Ko bo digitalni dvojček oceana začel delovati, bo znanstvenikom omogočil, da pogledajo skozi številke in preglednice ter začnejo pripovedovati zgodbo oceana. Po mnenju profesorja Visbecka se lahko digitalni dvojček uporablja za sporočanje težav in rešitev, kar je ključni vidik upravljanja podnebnih sprememb.

»Kot znanstveniki vidimo stvari, ki se nam bližajo, kot so segrevanje in dvig morske gladine. Mislim, da so za mnoge laike vse te številke, grafikoni, tabele in zemljevidi precej abstraktni. Nekomu, ki ni strokovnjak, ni lahko pojasniti, kako se bo Zemlja spremenila in postala vse bolj suha oziroma topla, ter vse to pokazati še na zemljevidih. Žal ne znajo vsi brati zemljevidov in interpretirati številk. Večina ljudi veliko lažje intuitivno vzpostavi odnos s tem, kar vidi. Vsi imamo na primer odnos do kopenskih pokrajin – ali oceanskih pokrajin. Če lahko torej ljudem pokažemo, kako se bo oceansko okolje ob določenih posegih spremenilo, bo to naredilo vtis nanje in jim pomagalo pri izbiri med možnostmi razvoja. Način, kako se spreminjajo kopenske pokrajine in oceanske pokrajine, bo pustil najgloblji vtis na laike. In mislim, da nam bodo digitalni dvojčki in napredna vizualizacija omogočili prav to,« je sklenil.

———

Raziskave, omenjene v članku, je financirala Evropska unija. Članek je bil prvotno objavljen v reviji Horizon, reviji EU za raziskave in inovacije.