Destination Earth: Sử dụng bản sao số trái đất và AI để nghiên cứu biến đổi khí hậu

Tạo ra bản sao số của trái đất

Theo Ban tổ chức, Giải Nobel Vật lý năm nay được chia đôi. Một nửa thuộc về hai nhà khoa học Syukuro Manabe (sinh tại Nhật Bản và hiện có quốc tịch Mỹ, 90 tuổi) và Klaus Hasselmann (người Đức, 89 tuổi) để tôn vinh công trình nghiên cứu lập mô hình vật lý về khí hậu của trái đất, định lượng sự biến đổi và dự đoán một cách đáng tin cậy sự nóng lên toàn cầu.

Một nửa giải thưởng còn lại được trao cho nhà khoa học Giorgio Parisi (Đại học Sapienza, Italy) "vì đã khám phá ra tác động qua lại của sự rối loạn và dao động trong các hệ thống vật lý, từ quy mô nguyên tử đến hành tinh".

Trong đó, mô hình mô phỏng kỹ thuật số toàn bộ trái đất của Syukuro Manabe và Klaus Hasselman - sử dụng dữ liệu lịch sử dài hạn để hiểu rõ biến đổi khí hậu tác động đến hành tinh như thế nào - nhằm giúp đưa ra bức tranh rõ ràng hơn về các quá trình đang diễn ra trên hành tinh và chúng có thể ảnh hưởng đến tất cả chúng ta như thế nào. Dự án này mang tên Destination Earth (DestinE), một dự án mới của Ủy ban Châu Âu (EC), nhằm lập mô hình các xu hướng khí hậu có khả năng gây ra thảm họa, góp sức trung hòa carbon vào năm 2050. Dự kiến, dự án sẽ kéo dài 10 năm.

"Destination Earth (DestinE) sẽ đóng góp vào chương trình Chiến lược kỹ thuật số và thỏa thuận xanh (Green Deal and Digital Strategy) của Liên minh châu Âu (EU). Dự án sẽ mở ra tiềm năng của mô hình số với các nguồn tài nguyên trên trái đất và các hiện tượng liên quan như biến đổi khí hậu, môi trường biển, vùng cực và băng quyển,... ở quy mô toàn cầu, đẩy nhanh chuyển giao năng lượng xanh, đồng thời giúp lên kế hoạch đối phó suy thoái môi trường và thiên tai", nhóm nghiên cứu cho biết.

Trọng tâm của dự án DestinE là tạo ra bản sao số của trái đất, nhằm theo dõi, mô phỏng các hoạt động của thiên nhiên và con người. Mục tiêu của dự án này chính là kết hợp nhiều phiên bản trái đất, trong đó mỗi model sẽ mô phỏng một phần khác nhau của hành tinh này. Cụ thể, các nhà khoa học có đề xuất các ứng dụng như dự báo thời tiết và biến đổi khí hậu, lương thực và nước, vòng tuần hoàn và các vấn đề về sinh hóa của đại dương.

Ngoài ra, mô hình số của trái đất cũng giúp dự đoán và chuẩn bị giải pháp trong trường hợp xảy ra siêu bão và những sự kiện thời tiết cực đoan khác, giảm nhẹ tác động tới quần thể dân cư. "Ví dụ, nếu bạn định xây con đê cao 2m ở Hà Lan, tôi có thể chạy dữ liệu ở mô phỏng kỹ thuật số và kiểm tra liệu con đê có khả năng bảo vệ trước thảm họa vào năm 2050 hay không", Peter Bauer, Phó giám đốc nghiên cứu tại Trung tâm dự báo thời tiết tầm trung châu Âu (ECMWF), người đồng khởi xướng dự án DestinE, giải thích.

Để tạo ra bản sao số của trái đất, các nhà khoa học sẽ sử dụng siêu máy tính và hệ thống dữ liệu đám mây để tận dụng công suất tính toán. Lý do DestinE được xem như một dự án đầy thách thức là bởi không nhiều máy tính trên thế giới có khả năng lập mô hình thô để chứa mô hình trái đất với độ phân giải một kilomet.

Phát biểu tại sự kiện AI for Good được Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) tổ chức gần đây, Peter Bauer, cho biết trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy sẽ làm cho mô hình này linh hoạt và hiệu quả hơn.

Bản sao số linh hoạt

Do quá trình phát triển diễn ra chậm, mô hình sẽ được nạp dữ liệu quan sát trái đất và hoạt động của con người, xây dựng một ngân hàng thông tin thay đổi thường xuyên. Dựa vào đó, các nhà nghiên cứu có thể chạy các mô phỏng tương lai với nhiều tham số, giúp đối phó biến đổi khí hậu và cho phép các nhà làm luật lựa chọn lộ trình tối ưu. DestinE cũng kết hợp với các yếu tố chính sách quan trọng của châu Âu và toàn cầu như năng lượng.

Bauer cho biết: "Việc tích hợp các lĩnh vực chính sách có nghĩa là chúng ta luôn phải suy nghĩ về toàn bộ chuỗi thông tin và dữ liệu, nhấn mạnh sự cần thiết phải "tích hợp đầy đủ các chuỗi giá trị khác nhau trong các bản sao số của chúng ta".

Để tích hợp nhiều chuỗi giá trị và cung cấp khả năng tương tác, các bản sao số đòi hỏi sức mạnh xử lý lớn, với dữ liệu được truyền nhanh chóng giữa các hệ thống máy tính hiệu suất cao (HPC) ở các quốc gia khác nhau, có khả năng được kết hợp với nhau trong "cơ sở hạ tầng liên bang".

Dự án đặt mục tiêu ra mắt 2 bản sao số đầu tiên vào tháng 12/2023, trong đó một bản sao số để đánh giá và dự đoán các hiện tượng cực đoan do thời tiết và địa vật lý gây ra, và một bản sao khác để tạo ra những thông tin phân tích và thử nghiệm các kịch bản dự đoán đối với những chính sách thích ứng và giảm thiểu biến đổi khí hậu.

Dự đoán những mối đe dọa trong tương lai nhanh và chính xác hơn

Công nghệ học máy cho phép các bản sao số hoạt động nhanh hơn, với độ chính xác và tốc độ mô phỏng ở quy mô lớn. Nhờ đó, nó cải thiện khả năng mô phỏng hoạt động của hành tinh, cả trong kịch bản mặc định hoặc với các điều kiện khác nhau. Hệ thống có thể phát hiện và dự đoán các sự kiện cụ thể, chẳng hạn như xoáy thuận nhiệt đới và cung cấp các công cụ để theo đuổi các cuộc điều tra bất khả thi cho đến nay.

Tuy nhiên, việc ứng dụng học máy cũng mang đến nhiều thách thức. Dueben cho biết: "Chúng tôi vẫn chỉ mới bắt đầu khai thác tài nguyên này, học cách mở rộng quy mô ứng dụng của mình. Nếu bạn xây dựng một công cụ học máy cho khí hậu hiện nay và sau đó sử dụng nó trong một mô hình để dự báo tương lai 100 năm sau, bạn sẽ có những tình huống thời tiết chưa từng xảy ra trước đây".

"Chúng ta thường không thể tin tưởng các công cụ học máy đáp ứng chính xác với các tình huống mới vì chúng không thể ngoại suy. Cần có rất nhiều nghiên cứu để xây dựng niềm tin hơn vào các phương pháp đó", Dueben chia sẻ thêm.

Tiềm năng tương lai

Phương pháp mô hình hóa của DestinE có thể mô phỏng một hệ thống trái đất bốn chiều với mức độ chi tiết và độ phân giải chưa từng có. Nó cũng có thể tạo bản đồ đến hoặc từ bất kỳ điểm nào trong thời gian và không gian.

DestinE sẽ cho phép người dùng truy cập vào thông tin theo chủ đề chuyên đề, dịch vụ, mô hình, kịch bản, mô phỏng và dự báo. Các mô hình và dữ liệu cơ bản sẽ được đánh giá liên tục để đưa ra các dự đoán kịch bản đáng tin cậy nhất cho người dùng. Nền tảng này cũng sẽ cho phép phát triển ứng dụng và tích hợp dữ liệu của chính người dùng. DestinE ban đầu sẽ phục vụ các cơ quan công quyền và dần dần sẽ mở ra cho các nhà khoa học và ngành công nghiệp hơn, để thúc đẩy sự đổi mới sáng tạo và cho phép đo điểm chuẩn của các mô hình và dữ liệu./.