Durante la Φ-week, un team di scienziati dell’Agenzia Spaziale Europea ha presentato il Digital Twin Earth, ovvero un modello che aiuterà a visualizzare e prevedere gli eventi naturali e le attività umane sul pianeta, nonché le loro interazioni, con l’obiettivo di anticipare l’evolversi della situazione globale e fornire un supporto ai processi decisionali della politica.

Nell’ambito della quarta edizione di Φ-week che si svolge questa settimana, un gruppo di scienziati guidati dall’Agenzia Spaziale Europea (ESA) ha presentato le proprie idee sull’implementazione pratica del concetto del “Digital Twin” (gemello digitale) e, in particolare, sulle potenziali aree di applicazione nel mondo reale di una Digital Twin Earth, ovvero di una replica digitale della Terra, una enorme simulazione virtuale e dinamica del pianeta che ne imita accuratamente il comportamento e che potrebbe aiutare l’umanità a comprendere meglio il passato, il presente e il futuro della Terra stessa. Senza dimenticare che uno strumento del genere potrebbe essere sfruttato come ausilio per pianificazioni strategiche e per monitorare l’evoluzione della situazione in determinate aree del mondo.
Nei prossimi decenni, la crescita della popolazione e le attività umane amplificheranno le attuali pressioni su risorse critiche come acqua dolce e cibo, intensificheranno lo stress sugli ecosistemi terrestri e marini, e inoltre aumenteranno l’inquinamento ambientale e i suoi impatti sulla salute e sulla biodiversità. Queste minacce, che comprendono l’innalzamento del livello del mare, l’aumento dell’acidificazione degli oceani ed eventi estremi più intensi come inondazioni e ondate di calore, dovranno essere attentamente monitorate, soprattutto per le nostre popolazioni più vulnerabili.
Per dare una risposta a queste sfide, nel 2020 l’ESA organizzò la Φ-week per discutere di come l’osservazione della Terra potesse contribuire alla creazione di un “gemello digitale” della Terra.

Il Digital Twin Earth monitorerà la salute del pianeta

Costantemente alimentato con dati di osservazione della Terra, combinati con misurazioni in situ e l’utilizzo dell’intelligenza artificiale, Digital Twin Earth aiuterà a visualizzare e prevedere l’attività naturale e umana sul pianeta. Il modello sarà in grado di monitorare la salute del pianeta, eseguire simulazioni del sistema interconnesso della Terra con il comportamento umano e contribuire a sostenere le politiche ambientali europee.
Nel settembre 2020, l’ESA lanciò poi diverse Digital Twin Earth Precursor Activities per analizzare alcune delle principali sfide scientifiche e tecniche connesse alla costruzione di un “gemello digitale” della Terra. Queste attività includevano elementi come le foreste, l’idrologia, l’Antartide, i sistemi alimentari, gli oceani e gli hot spot climatici.
Ogni attività era indirizzata a una diversa sfida scientifica, tecnica e operativa relativa al Digital Twin Earth, compreso il ruolo dell’intelligenza artificiale e dei dati omogenei, la credibilità scientifica del coinvolgimento degli stakeholder e il ruolo dei modelli settoriali e dell’infrastruttura ITC (Information and Communication Technology).
Alla Φ-week di quest’anno, gli esperti della comunità che si occupa del programma hanno presentato i risultati delle attività svolte nell’ultimo anno.

Digital Twin Antartide

L’Antartide è uno dei principali serbatoi di acqua dolce nel mondo e, come tale, potrebbe contribuire grandemente al futuro innalzamento del livello del mare. Gli attuali “ice sheet models” (modelli di calotta glaciale) presentano importanti differenze e deviazioni tra i modelli, nonché una forte variabilità nelle aree instabili.
Pertanto un digital twin dell’Antartide risulta necessario. Noel Gourmelen, dell’Università di Edimburgo, ha commentato: “Sfruttando le osservazioni satellitari, le simulazioni numeriche e l’intelligenza artificiale, abbiamo costruito un gemello del sistema della calotta glaciale antartica, la sua idrologia, l’oceano circostante, l’atmosfera e la biosfera. Abbiamo usato il gemello antartico per tracciare la posizione dell’acqua disgelata sopra e sotto la calotta glaciale e per analizzare come le piattaforme di ghiaccio si sciolgano nei vari scenari idrologici”.

Digital Twin Food Systems

Il Digital Twin Food Systems simula quotidianamente le attività agricole e le interazioni all’interno degli ecosistemi. Diversi modelli possono essere eseguiti separatamente per ciascuna unità di simulazione, a seconda del sistema di gestione delle colture, dell’acqua e dell’irrigazione.
Chandra Taposea, di CGI IT UK Lt, ha dichiarato: “Digital Twin Earth e gli obiettivi che stiamo cercando di raggiungere sono fondamentali per aiutarci a fare il prossimo passo nel sense-making e nel decision-making, e a supportare sia i singoli utenti che i decisori politici su larga scala. Il nostro Digital Twin Food Systems è riuscito a integrare modelli di diversi domini, osservando come le precipitazioni estreme influenzerebbero i modelli di colture globali, ma non senza trovare difficoltà.”

Digital Twin Hydrology

Luca Brocca, del Consiglio Nazionale delle Ricerche italiano (CNR) spiega cosa comporta l’Hydrology Digital Twin: “Nel progetto Digital Twin Earth Hydrology abbiamo sviluppato una ricostruzione 4D dell’idrologia dinamica a una risoluzione senza precedenti attraverso l’integrazione dell’osservazione della Terra e un avanzato sistema di modellazione. Il DTE Hydrology Prototype è stato utilizzato per la gestione delle risorse idriche e per l’identificazione di luoghi e tempi di rischio di frane e alluvioni nel bacino del fiume Po, nell’Italia settentrionale.”

Digital Twin Climate Impacts

Il Climate Impacts Digital Twin consentirà ai decisori, senza conoscenze tecniche da esperti, di generare e visualizzare, in tempo reale, informazioni rilevanti per le decisioni relative agli impatti regionalizzati dei cambiamenti climatici.
Robert Parker, dell’Università di Leicester, ha dichiarato: “Il nostro Climate Impact Explorer Digital Twin, inizialmente focalizzato sulla siccità africana, utilizza una combinazione innovativa di osservazione della Terra, modellazione ambientale e apprendimento automatico per offrire capacità di supporto decisionale avanzate direttamente ai nostri stakeholder. Emulando questi modelli complessi e mettendoli a disposizione come tool semplici e veloci basati su cloud, il nostro prototipo contribuisce a democratizzare l’accesso a questi sistemi, offrendo alle parti interessate la capacità di esplorare potenziali risposte alla siccità causate dal clima.”

Digital Twin Forest

Matti Motus, Principal Scientist di VTT, ha spiegato come funziona il Forest Digital Twin: “Questo gemello digitale sarà un Digital Twin of Earth specializzato, che fornirà una ricostruzione del sistema forestale a livelli di dettaglio non possibili con modelli generici della superficie terrestre. L’osservazione della Terra via satellite, in particolare i dati di alta qualità forniti da Copernicus Sentinel, ci consentono di ottenere informazioni senza precedenti e uniformi per tutte le foreste del globo. Tradurre tutto questo in comprensione della struttura forestale e attivare modelli di funzionamento forestale richiede misurazioni locali, che sono molto più sparse ed eterogenee. Nel progetto precursore, abbiamo imparato come superare questi ostacoli e fornire previsioni sulla crescita e l’equilibrio del carbonio per diverse foreste in Europa. Ora sappiamo di avere gli strumenti di base e la potenza di calcolo per costruire un gemello digitale delle foreste pienamente funzionante. È stato un viaggio molto emozionante, ma impegnativo, soprattutto considerando che è stato implementato durante le restrizioni legate al Covid.”

Digital Twin Ocean

Questo Digital Twin Ocean analizzerà il potenziale dell’intelligenza artificiale allo scopo di apprendere direttamente dai suoi dati, dal passato e dal comportamento del sistema Terra per prevedere i futuri eventi oceanici.
Betrand Chapron, di IFREMER, ha dichiarato: “Il progetto Digital Twin Ocean affronta due fenomeni molto distinti in due bacini oceanici molto contrastanti: le ondate di calore prodotte nel Mar Mediterraneo e le dinamiche del ghiaccio marino per contribuire a valutare il riscaldamento dell’Artico. In parole povere, sono state seguite due strategie: la prima è un approccio basato sui dati, in cui quest’ultimi, aumentati da modelli operativi numerici regolarmente campionati che assimilano i dati, vengono utilizzati per guidare le capacità di visualizzare e analizzare le ricorrenze dei sistemi dinamici oceano-atmosfera; e l’approccio basato su modelli, dove moltissime simulazioni numeriche, aumentate da dati campionati irregolarmente, vengono utilizzate per valutare le grandi scale e le conseguenze a lungo termine delle piccole scale.”