Wissenschaftler setzen auf eine digitale Erde, um Naturkatastrophen besser vorhersagen zu können.(Bildnachweis: Getty Images)
Eine Lektion, an die wir uns sicher alle aus der Grundschule erinnern können, ist der Wasserkreislauf. Selbst wenn Sie sich nicht genau daran erinnern, was Sie gelernt haben, haben Sie wahrscheinlich Erinnerungen an ein Video oder ein Diagramm, das so farbenfroh und kreativ war, dass der Tag ein bisschen lustiger wurde. Für einige von uns (mich eingeschlossen) ist es wirklich schwer, es zu vergessen. Selbst in der Welt der Erwachsenen fühlt es sich ordentlich und einfach an, über die drei Komponenten des Wasserkreislaufs nachzudenken, die sich – Wortspiel beabsichtigt – immer wiederholen: Verdampfung, Kondensation und Niederschlag.
Unser Planet könnte ohne Wasser nicht überleben, eine Substanz, die 71 % der gesamten Erdoberfläche ausmacht, wobei die Ozeane etwa 97 % dieser Zahl ausmachen. Allerdings kann der Prozess ziemlich kompliziert werden, wenn man den ständigen Klimawandel, der durch menschliche Aktivitäten wie die Verbrennung von Kohle verursacht wird, sowie andere tägliche Einflüsse, die wir als Gesellschaft beitragen, mit einbezieht. Als Meteorologe kenne ich die Herausforderungen, denen wir uns stellen müssen, wenn es um die Vorhersage von wasserbedingten Naturkatastrophen wie Überschwemmungen, Erdrutschen und Dürren geht.
Um jedoch möglichst genaue Vorhersagen machen und die Funktionsweise dieses Zyklus besser verstehen zu können, müssen wir Modelle mit möglichst vielen hochauflösenden Daten erhalten und überprüfen. Diese Daten sollten idealerweise auch jeden Zentimeter des Planeten abdecken, von den höchsten Berggipfeln bis hin zum tief im Boden vergrabenen Wasser.
Und dank der Finanzierung durch die Europäische Weltraumorganisation sind Wissenschaftler dabei, genau das zu schaffen: Einen digitalen Zwilling der Erde und all ihr schönes Wasser, der inspiziert werden kann.
„Die Simulation der Erde mit hoher Auflösung ist sehr komplex, und deshalb besteht die Idee darin, sich zunächst auf ein bestimmtes Ziel zu konzentrieren“, sagte Luca Brocca vom Nationalen Forschungsrat Italiens in einer Erklärung. „Das ist die Idee hinter dem, was wir entwickelt haben – digitale Zwillingsfallstudien für den terrestrischen Wasserkreislauf im Mittelmeerraum. Unser Ziel ist es, ein System zu schaffen, das es Nicht-Experten, einschließlich Entscheidungsträgern und Bürgern, ermöglicht, interaktive Simulationen durchzuführen.“
Brocca, der einen ausführlichen Artikel über die Studie verfasst hat, arbeitete mit Kollegen an der Erstellung des digitalen Zwillings. Mit Hilfe dieses Modells können die Wissenschaftler ständig neue Daten eingeben, um die besten und schlimmsten Szenarien von Naturkatastrophen in verschiedenen Umgebungen auf unserem Planeten zu simulieren. Durch die Nachbildung eines Erdrutsches zum Beispiel können die damit verbundenen Risiken und Bedingungen so überwacht werden, als ob sie in Echtzeit eintreten würden. Dies könnte die Vorbereitung auf potenziell zerstörerische Ereignisse in der Zukunft auf der Grundlage der bei jedem Test gewonnenen Erkenntnisse weiter unterstützen.
Wie werden diese Modelle also erstellt?
Eine Grafik, die zeigt, dass die globalen Durchschnittstemperaturen seit 1880 stetig ansteigen, laut NASA-Aufzeichnungen. (Bildnachweis: NASA)
Es kostete die Wissenschaftler eine Menge Arbeit, so viele Satellitendaten wie möglich zu nutzen, die durch eine Vielzahl von Erdbeobachtungen gesammelt wurden. Sie kombinierten dann Messungen von Bodenfeuchtigkeit, Niederschlag, Schneehöhe, Verdunstung und Flussabfluss, die in bestimmten Zeitintervallen vorgenommen wurden, um ein klares Bild von der Dynamik der Variablen auf dem gesamten Planeten zu zeichnen. Anschließend können die hochauflösenden Daten des Modells als interaktives Werkzeug für Wissenschaftler genutzt werden.
„Dieses Projekt ist ein perfektes Beispiel für die Synergie zwischen hochmodernen Satellitenmissionen und der wissenschaftlichen Gemeinschaft“, sagte Brocca. „Kooperationen wie diese, gepaart mit Investitionen in Berechnungsinfrastrukturen, werden für die Bewältigung der Auswirkungen des Klimawandels und anderer menschlicher Einflüsse von entscheidender Bedeutung sein.“
Wie bei jeder Art von Modell braucht es Übung, um zur Perfektion zu gelangen. Aber irgendwo muss man ja anfangen.
Brocca und seine Kollegen haben den digitalen Zwilling zunächst für die Modellierung der Po-Ebene in Norditalien und anderen Teilen des Mittelmeerraums verwendet; für die Zukunft planen sie, ähnliche Modelle in ganz Europa zu erstellen, bevor sie mit Wissenschaftlern aus anderen Kontinenten zusammenarbeiten. Das Hauptziel dieses Projekts ist es, Vorhersagen über mögliche Überschwemmungen und Erdrutsche zu treffen und zu lernen, wie wir unsere Wasserressourcen besser verwalten können.
„Wir sollten von etwas ausgehen, das wir sehr gut kennen“, sagte Brocca. „Die Po-Ebene ist sehr komplex – wir haben die Alpen, wir haben Schnee, der schwer zu simulieren ist, besonders in unregelmäßigem und komplexem Gelände wie den Bergen. Dann gibt es noch das Tal mit all den menschlichen Aktivitäten – Industrie, Bewässerung. Dann haben wir einen Fluss und extreme Ereignisse – Überschwemmungen, Trockenheit. Und dann sind wir zum Mittelmeer umgezogen, das ein guter Ort ist, um Extremereignisse sowohl bei zu viel als auch bei zu wenig Wasser zu untersuchen.
Die Modellierung des Teams konzentriert sich zwar auf eine größere Region, aber es gibt auch Pläne für lokalere Studien. Vorerst konzentrieren sich die Wissenschaftler jedoch weiterhin auf die größten und hartnäckigsten Herausforderungen in ihrem Mechanismus. Die komplexen Algorithmen, die sie entwickelt haben, bedürfen beispielsweise einer Überarbeitung, wenn weiterhin große Datenmengen hinzukommen; außerdem sind weitere Bodenbeobachtungen erforderlich, um die verwendeten Satellitendaten zu überprüfen.
Um die Unsicherheiten zu bekämpfen, die bei der Verwendung von Satellitendaten auftreten können, hofft Brocca, künstliche Intelligenz in sein Programm einbauen zu können, um einige der Probleme auszugleichen. Die künstliche Intelligenz würde in gewisser Weise wie ein zusätzliches Paar Augen wirken, wenn sie gut trainiert werden kann. Wie wir bei der Verwendung von KI in Wettermodellen, z. B. bei der Vorhersage von Waldbränden, gesehen haben, liegen die Vorteile einer solchen Zusammenarbeit in der Minimierung von Fehlern, die manchmal aufgrund von Veränderungen der atmosphärischen Bedingungen bei der Aufnahme von Bildern auftreten können. Durch den Einsatz von KI kann auch Zeit gespart werden, so dass sich menschliche Ingenieure auf andere Bereiche konzentrieren können.
„Die gemeinsamen Bemühungen von Wissenschaftlern, Raumfahrtbehörden und Entscheidungsträgern versprechen eine Zukunft, in der digitale Zwillingserden für die Hydrologie unschätzbare Erkenntnisse für ein nachhaltiges Wassermanagement und die Widerstandsfähigkeit gegen Katastrophen liefern“, so Brocca.
Die Studie wurde am 5. März in der Zeitschrift Frontiers in Science veröffentlicht.
