Digitalna klimatologija

Da li ulazimo u novo „ledeno doba” ili će se u Srbiji uzgajati papaja? Odgovore na takva pitanja daje računarska simulacija

Vizuelizacija podataka o vlažnosti vazduha (boja podloge) brzini i pravcu vetra (boja i pravac strelica) i oblačnosti (boja i visina „oblaka”) na određenom području

U novembru smo se malo smrzavali a malo smo nosili i kratke rukave, pa se na svakom koraku moglo čuti kako niko još nije zapamtio ovakvo vreme i da mora biti da se to klima menja. Mnoge laboratorije širom sveta pokušavaju da naprave precizne računarske modele Zemljine atmosfere u nadi da će se konačno doći do odgovora na ovo pitanje.

Računarske simulacije Zemljine atmosfere vizuelno su veoma atraktivne i bogate najrazličitijim trodimenzionalnim snimcima uragana, padavina, kao i oblaka stvorenih u klimatološkim laboratorijama opremljenim najsavremenijim računarima. Ovakve vizuelizacije najrazličitijih numeričkih vrednosti do kojih se dolazi u istraživanjima pomažu savremenim klimatolozima da svoje razumevanje i sposobnost predviđanja podignu na viši nivo.

Zemlja u računaru

Prikaz brzine vetra nad odgovarajućim područjima Zemlje

U odnosu na druge vrste simulacija (o kojima ste čitali u prethodnim brojevima), kod stvaranja ovakvih simulacija poseban je problem što obuhvataju mnogo veći obim podataka koje treba obraditi, a oni su pri tom veoma različiti po prirodi. Model sa kojim se istraživači suočavaju, a koji treba na neki način virtuelno izgraditi, mnogo je veći (u idealnom smislu cela planeta Zemlja!) i sastoji se od bezbroj složenih parametara.

Nažalost, ni današnji najmoćniji superračunari ne mogu da se nose sa ovim zadatkom pri kome bi virtuelni model mogao da pruži predviđanja visoke tačnosti, i to za celu planetu. Jednostavnije simulacije uvek je moguće izgraditi, ali one teško da mogu poslužiti za neke relevantnije rezultate.

Iz ovog razloga naučnici vrše pritisak na vlade svojih zemalja da im odobre više finansijskih sredstava, kako bi izgradili što moćnije sisteme na kojima će moći da stvore virtuelne modele sa većom preciznošću.

Još jedan način prikaza područja s jakim vetrovima

Količine podataka s kojima treba da se nosi neki od ovih računara da bi ih pretočio u vizuelni model koji je lakši za razumevanje, meri se terabajtima. Kako želja za većom preciznošću raste, proporcionalno raste i količina podataka.

Problemi sa kojima se suočava ovakva vrsta istraživanja vezani su i za prikupljanje neophodnih podataka, jer je potrebno angažovati brojne ljude i opremu: radare, satelite, meteorološke stanice...

Šetajuće sonde

Simulacije nema bez (dobrih) podataka, a oni se prikupljaju satelitima, radarima, ali i starim, dobrim meteorološkim sondama

Da bi se izgradio precizan model nekog aspekta Zemljine atmosfere (vetrova, vodenih struja, kretanja oblaka i slično), potrebno je uvek imati što svežije i preciznije podatke koji će predstavljati tu prirodnu pojavu. Za dobijanje podataka koriste se kombinovana sredstva: satelitska merenja koja daju neverovatan obim interesantnih podataka, podaci iz radarskih osmatračkih stanica, kao i rad na terenu.

Kada su u pitanju računarske simulacije koje imaju za cilj predviđanje promena klime na Zemlji, zadatak je još teži jer je pored svih podataka o aktuelnim vrednostima potrebno statistički obraditi i podatke koji se ponekad odnose na periode od po nekoliko stotina godina unazad.

Način prikupljanja podataka zavisi od prirodne pojave koju treba istražiti i predvideti. Za primer ćemo uzeti projekat koji je imao za cilj predviđanje kretanja izduvnih gasova u jednom velikom gradu. Da bi se prikupili podaci o kretanju vetrova i sadržaju otrovnih gasova u vazduhu, specijalne sonde postavljane su na prozorima stanova, a tokom projekta su dobrovoljci na sebi nosili specijalno prilagođenu opremu i imali zadatak da se kreću određenim ulicama u centru grada.

Mi ćemo odlučiti

Simulacija tornada

Simulacije vremena grubo se mogu podeliti u tri oblasti: kratkoročne i dugoročne vremenske prognoze kao i predviđanja klimatskih promena u periodima od deset do pet stotina godina. Rade se različite specifične simulacije koje obično imaju za cilj da predvide razvoj promena nekog prirodnog elementa. Tako imamo simulacije širenja ozonske rupe, povećanja koncentracije ugljen-dioksida u atmosferi, kretanja morskih struja... Na ovom stepenu tehnološkog razvoja nemoguće je u dovoljnom obimu obuhvatiti sve potrebne podatke i izgraditi jedan celovit model. Zato, na kraju ostaje da zaključak donese najmoćniji računar na svetu – ljudski mozak.

Japanci prednjače

Američki nacionalni centar za istraživanja okoline kupio je 1998. godine superračunar Cray C90 koji je u to vreme bio veoma snažan, a imao je 16 procesora, 2 GB radne memorije, kao i sistem brzih diskova sa 200 GB memorijskog prostora. Nešto kasnije ista laboratorija nabavila je od IBM-a sistem koji je bio 4,3 puta jači od Craya C90 i imao je snagu od 0,7 teraflopsa. Ovaj sistem ima 768 procesora, 192 GB radne memorije, kao i 4,6 terabajta skladišnog prostora.

Shvativši potencijal koji leži u simulacijama prirodnih pojava, mnoge laboratorije su nabavljale ovakve sisteme. Za tu svrhu bila je popularna linija superračunara Cray. Međutim, početkom ove godine nastala je mala uzbuna u krugovima američkih proizvođača, jer je japanski NEC izgradio računar koji je pet puta jači od dotadašnjeg najmoćnijeg računara na svetu Asci White koji ima snagu od 7 TFLOPS-a!

Da IBM-ovi sistemi zaostaju za NEC-ovim, govori i slučaj sa jednim naučnikom iz Kanade. Kanadski istraživač je tokom specijalnog programa došao u radnu posetu svojim američkim kolegama. U laboratoriji u kojoj su radili imali su samo IBM-ove sisteme za koje se u nekim naučnim krugovima smatra da nemaju dovoljno dobro razvijenu arhitekturu da bi odgovorili ogromnim zahtevima pri simulaciji klimatskih promena. Kanađanin je zahtevao da radi na NEC-ovom sistemu, ali zbog američkog zakona koji zabranjuje uvoz japanskih superračunara nije mogao se naći nijedan u blizini. Da bi rešio problem radio je noću, kada je imao slobodan pristup NEC-ovom superračunaru u svojoj laboratoriji u Kanadi.

Earth Simulator

Earth Simulator – superkompjuter na prostoru jednakom površini tri teniska igrališta

U aprilu ove godine Japanci su okončali svoj projekat izgradnje računara koji je nazvan Earth Simulator. Zadatak će mu biti, kako mu i ime kaže, da simulira prirodne atmosferske i klimatske promene na Zemlji. Trenutno je to najjači sistem na svetu sa snagom od 35 tereflopsa i fizički zauzima tri sprata od kojih je svaki veličine teniskog igrališta!

NEC je uspeo da primenom nove arhitekture postigne ovu moć uz upotrebu „samo” 5104 procesora, dok njegov rival IBM sa 8192 procesora postiže 7 teraflopsa. Prema nekim analitičarima, IBM-u će biti potrebno oko dve godine da bi dostigao NEC-ov uspeh.

Earth Simulator baziran je na arhitekturi NEC SX sa po 640 jedinica, pri čemu svaka od njih ima 8 vektorskih procesora i svaki ima snagu od 8 gigaflopsa. Ceo sistem ima 10 terabajta radne memorije i prostor za podatke od 700 terabajta.

Ovakav sistem posebno je pogodan za simulaciju kompleksno povezanih sistema kakav je Zemljina klima sa interakcijama između vodenih masa, kopna i atmosfere. Sem ovih, vršiće se i istraživanja koja treba da pomognu u predviđanju zemljotresa, a Earth Simulator je već dokazao opravdnost ulaganja novca. Naime, veliko nevreme zahvatilo je neka područja u Pacifičkom regionu i postojala je opasnost da zahvati i japansku obalu. Earth Simulator je iskorišćen za zadatak predviđanja kretanja tajfuna, i to sa uspehom od 95 odsto. Sistem je opremljen softverom koji može, na osnovu preciznih algoritama, da simulira prirodne atmosferske procese. Satelitskim i radarskim osmatranjem, kao i podacima sa terena „nahranjena” je specijalna superračunarska aplikacija koja je uz pomoć vizuelizacijskog softvera prikazala najverovatniju putanju tajfuna. Prema ovom predviđanju, tajfun je trebalo da protutnji pored obala Japana. To se kasnije i pokazalo kao tačno, pa nije bilo potrebe za velikom i skupom evakuacijom.

Softver

IBM-ov RAMS (Regional Atmospheric Modeling Sistem) daje i animirani prikaz rezultata

Svi ovi superračunari, bez obzira u koje se svrhe koriste, imaju nekakav operativni sistem kao što ga imaju i ovi naši na stolu. Međutim, nijedan superračunar do sada nije proradio ni na kakvoj verziji Windowsa, već su to uvek derivati Unixa, a često i Linux.

Linux je operativni sistem otvorenog kôda, tako da naučnici mogu da prilagode kernel (jezgro operativnog sistema), kao i operativni sistem u celini potrebama određenog hardvera superračunara. Ovakav operativni sistem služi kao platforma na kojoj se izvršavaju specijalne aplikacije koje uz pomoć posebno razvijenih algoritama vrše obradu unetih podataka. Ali brdo cifara nije odgovarajuće za brzo i intuitivno donošenje zaključaka – potrebno ih je nekako vizuelizovati.

Timovi stručnjaka u poslednje vreme intezivno rade na softveru koji će grafički, u tri dimenzije, prikazivati dobijene rezultate. Na taj način mogu se prikazati mnogi procesi koji su doskora bili „nevidljivi”. Podaci na ovu temu mogu se naći na sajtu www.epa.gov iza koga stoji „Scientific Visualization Center”.

U kategoriji softvera koji treba da vizuelizuje rezultate simulacija ima dosta proizvoda; neki su komercijalni, a neki se mogu skinuti sa Interneta i koristiti pod GNU licencom.

Od komercijalnih naslova najcenjeniji su PV- -WAVE i JWAVE koji su proizvod „Visual Numericsa” (www.vni.com). Od open source programa koji se mogu slobodno koristiti pomenućemo Vistas, Grads (grads.iges.org/grads/head.html), Linkwinds i jedan od najpopularnijih – Vis5D. Ovaj poslednji izvršava se pod Linuxom, a projekat je pre više godina započeo Stiven Džonson. Trenutno nekoliko laboratorija nastavlja razvoj ovog softvera i može se naći kao Vis5D+, a na Web sajtu (vis5d.sourceforge.net) program se može i besplatno preuzeti. Vis5D(+) postoji u verziji za skoro sve poznatije platforme. Pored ovog programa postoji i D3D koji je usavršena verzija prethodnog, ali nažalost nije besplatan. Od besplatnog softvera za analizu podataka pomenućemo Octave (www.che.wisc.edu/octave) i Rlab (hpux.csc.liv.ac.uk).

Šta nas očekuje?

Moguće samo uz pomoć simulacije: predviđena relativna promena prosečne zimske temperature u periodu 2070-2100. godine, u odnosu na 1960-1990. godinu.

Brojne laboratorije u svetu pokreću projekte računarskih simulacija Zemljine klime i atmosfere, jer su primećene nesumnjive klimatske anomalije. Većina projekata ograničava se na određene aspekte: povećanje koncentracije ugljen-dioksida, predviđanje širenja ozonskih rupa, poremećaje morskih struja ili kretanja orkanskih vetrova. Manja grupa istraživača preuzima znatno teži zadatak – predviđanje ponašanja Zemljine klime u višegodišnjim periodima.

Interesantan je projekat u kojem je simulirano povećanje ugljen-dioksida u atmosferi četiri puta, što bi, po ovim naučnicima, moglo da se desi za oko 150 godina. U ovoj simulaciji pokazale su se mnoge dramatične pojave, kao što je otapanje polarnih ledenih kapa i podizanje nivoa mora. Mnoga priobalna područja bila bi potopljena, a na mestima gde su sada šume u simulaciji su se pojavile pustinje.

• • •

Mi na ovim područjima možda nosimo kratke rukave u novembru, ali bar nemamo tajfune i tornada, a vremensku prognozu i dalje zasnivamo na žiganju u zglobovima...

Mirko PERAK