Réplica digital da Terra com resolução de 1 km une previsão do tempo e modelagem climática

Cientistas do Instituto Max Planck, na Alemanha, apresentaram um modelo digital da Terra com resolução de 1 km que integra previsão do tempo e simulação climática de longo prazo.

Quem conduziu o projeto e onde ele foi desenvolvido

A iniciativa foi liderada por pesquisadores vinculados ao Instituto Max Planck, com apoio de centros de computação de alto desempenho localizados em Jülich, na Alemanha, e em Lugano, na Suíça. Esses locais hospedam, respectivamente, os supercomputadores JUPITER e Alps, equipamentos decisivos para a realização dos cálculos em escala global.

O que exatamente é a réplica digital criada

O trabalho resultou num modelo tridimensional que cobre toda a superfície terrestre, os oceanos e a atmosfera, estabelecendo uma malha de pontos de análise espaçados em apenas 1,25 km. A construção reproduziu 336 milhões de células correspondentes ao solo e aos mares. Acima de cada uma delas foi posicionada uma célula atmosférica equivalente, totalizando mais de 672 milhões de unidades computacionais que representam o planeta em detalhes incomuns para estudos científicos dessa natureza.

Quando o estudo foi divulgado

Os detalhes técnicos foram disponibilizados no início deste mês em um artigo hospedado no servidor de pré-impressão arXiv. A publicação documenta a metodologia, o ambiente computacional e os resultados preliminares gerados pelo experimento de alta resolução.

Por que o modelo de 1 km representa um avanço

Modelagens globais tradicionais costumam operar com malhas superiores a 40 km de resolução, o que força pesquisadores a fazer aproximações que podem mascarar fenômenos locais importantes. Com 1 km, torna-se possível observar processos atmosféricos e oceânicos de curta duração de forma bem mais detalhada. Essa densidade de informação promete aprimorar o entendimento de como fluxos de energia e água influenciam o clima, além de oferecer subsídios para previsões meteorológicas potencialmente mais confiáveis.

Como os cientistas organizaram as dinâmicas do planeta

Os responsáveis pelo estudo dividiram as interações observadas nas células em duas categorias principais:

Dinâmicas rápidas — englobam os ciclos de energia e de água, determinantes para a formação do clima diário. Por demandarem acompanhamento em intervalos de tempo curtos, exigem resolução espacial muito alta, justificando o espaçamento de 1 km entre as células.

Dinâmicas lentas — incluem o ciclo do carbono, as transformações na biosfera e as mudanças nos oceanos, processos que se desenrolam ao longo de anos ou décadas. A junção dessas duas escalas temporais no mesmo ambiente de simulação constitui o aspecto mais inovador do projeto.

Quais recursos computacionais foram necessários

A realização do experimento exigiu uma combinação de engenharia de software especializada e uma infraestrutura de hardware de grande porte. O código-base foi escrito em Fortran, linguagem tradicional em aplicações científicas, mas adaptado para um paradigma denominado Programação Paralela Centrada em Dados. Esse método distribui tarefas simultâneas em milhares de processadores, acelerando a execução.

Para sustentar o volume de cálculos, a equipe recorreu a 20.480 superchips GH200, cada um contendo unidades de processamento gráfico (GPUs) e unidades de processamento central (CPUs) integradas. Essa arquitetura híbrida permitiu reduzir o tempo de espera entre as etapas do modelo e efetuar atualizações contínuas dos parâmetros físicos.

Escala de tempo simulada e desempenho alcançado

Com o conjunto de chips interligados, os pesquisadores conseguiram reproduzir 145,7 dias de processos terrestres em apenas 24 horas de computação contínua. Esse rendimento ilustra o potencial do método para testes extensos, mas também revela o custo elevado: poucas instituições dispõem de infraestrutura capaz de sustentar a demanda energética e a capacidade de refrigeração requerida por milhares de processadores operando em paralelo.

Aplicações diretas e limitações atuais

Segundo os autores, a síntese das dinâmicas rápidas e lentas abre caminho para métricas mais precisas em estudos climáticos, além de beneficiar previsões meteorológicas de curto prazo. Contudo, a complexidade técnica e o volume de recursos necessários indicam que a tecnologia ainda não está pronta para uso cotidiano em estações meteorológicas convencionais. A manutenção de um sistema desse porte continua restrita a centros de supercomputação, onde a energia elétrica, a supervisão especializada e o espaço físico podem ser garantidos.

Próximos passos sugeridos pelos resultados obtidos

Embora a adoção imediata seja limitada, o projeto serve como prova de conceito de que resoluções de 1 km podem ser alcançadas globalmente, algo considerado impraticável até pouco tempo atrás. A equipe planeja explorar otimizações adicionais no código Fortran e testar novas gerações de hardware para reduzir custos operacionais. Cada melhoria no desempenho computacional tende a aproximar esse tipo de simulação de rotinas de pesquisa mais amplas, bem como de serviços meteorológicos regionais.

Ao comprovar a viabilidade técnica de uma malha global tão densa, o estudo estabelece um marco na modelagem climática, ao mesmo tempo em que evidencia os desafios logísticos de escalar a solução para uso rotineiro fora dos laboratórios de supercomputação.