Bloggen - Jordobservation

Går det att skapa en digital tvilling av jorden?

Forskare arbetar med att skapa digitala kopior av jorden som kan användas för en rad områden. Nyligen har den europeiska rymdorganisationen ESA skapat ett projekt för att undersöka hur jordobservationer kan nyttjas som datakälla i en digital tvilling.

Publicerad

2021-10-25

Dela artikel:

En digital tvilling är en kopia i datormiljö av något som finns i verkligheten. Det kan vara ett hus, en stad eller en maskin. Det som skiljer en digital tvilling från en 3D-modell är tvillingens koppling till ett levande datorflöde. Just nu arbetar flera forskare med att ta fram en digital tvilling av vår egen planet.

Under 2020 initierade ESA ett projekt för att undersöka hur jordobservationer kan nyttjas som datakälla för att skapa en digital tvilling av jorden – en dynamisk, digital kopia av vår planet som på ett tillförlitligt sätt kan härma jordens beteende.

Utöver observationer från rymden kräver projekten en kombination av in situ-mätningar, det vill säga mätningar nere på jorden, och artificiell intelligens. Med hjälp av dessa dataflöden skulle tvillingen i framtiden kunna hjälpa oss att visualisera och förutspå naturlig och mänsklig aktivitet. Tvillingen kan även övervaka jordens hälsa.

Hittills har ESA startat ett projekt för att skapa flera föregångare, eller prototyper. På så sätt har forskare kunnat undersöka några av de huvudsakliga vetenskapliga och tekniska utmaningarna med att bygga en digital tvilling av jorden. Varje prototyp som undersökts har fokuserat på ett särskilt område i jordens ekosystem.

Här kan du läsa mer om dessa områden och hur en digital tvilling kan användas för att förstå vår planet:

Matsystem

Ett matsystem omfattar alla processer och den infrastruktur som ingår i livsmedelsförsörjningen av en befolkning. Genom att skapa en digital tvilling av världens matsystem hoppas forskare kunna simulera jordbruksativiteter runtom på jorden. Man hoppas också kunna simulera interaktioner med ekosystem.

- Utvecklingen av digitala tvillingar av jorden, särskilt i den omfattning vi försöker uppnå, blir viktig för att hjälpa oss att uppnå nästa steg av förståelse och beslutstagande. Det kan hjälpa såväl användare som storskaliga beslutsfattare. Vår digitala tvilling av matsystemen har lyckats integrera modeller från olika domäner och titta på hur extrem nederbörd skulle påverka globala jordbruksmodeller, säger Chandra Taposea från CHI IT till ESA.

Klimatpåverkan

Att mäta och undersöka människans påverkan på klimatet är ett omfattande och viktigt åtagande under de kommande åren. En digital tvilling av jordens klimatpåverkan skulle exempelvis vara till hjälp för beslutsfattare utan expertkunskap, genom att generera och visualisera viktig information i realtid.

- Vår digitala tvilling för forskning på klimatpåverkan har inledningsvis fokuserat på torka i Afrika, och använder en innovativ kombination av jordobservationer, klimatmodellering och maskininlärning för att ge förbättrade beslutstödskapacitet till våra intressenter, säger Robert Parker från University of Leicester till ESA.

Skog

Världens skogar påverkas av klimatförändringar på flera sätt och skogen spelar en viktig roll för att minska klimatförändringarna. En digital tvilling av skogsmiljöerna på jorden skulle kunna vara en specialiserad kopia av jordens ekosystem, med fler detaljer än dagens landytemodeller.

Högkvalitativa satellitbaserade jordobservationer, till exempel från det europeiska jordobservationsprogrammet Copernicus, ger oss unik information om alla skogar på jorden och kan vara till stor användning. Men det krävs även lokala mätningar för att kunna förstå helheten.

- Inom prototypprojektet har vi lärt oss hur vi övervinner många hinder. Vi vet nu att vi har de grundläggande verktygen och datorkraften för att bygga en fullt fungerande digital tvilling av jodens skogar. Det har varit väldigt spännande, men också en krävande resa, säger Mattias Motus, chefsforskare vid VTT till ESA.

Hav

Klimatförändringar påverkar världens hav på olika sätt, bland annat förändras vattenflöden, havsnivån stiger och haven blir surare. Hav bidrar också till att begränsa klimatförändringen, bland annat genom att ta upp växthusgaser.

Den digitala prototypen av havet fokuserar på att utforska potentialen hos artificiell intelligens för att lära sig av tidigare data och av jordsystemets beteenden. På så sätt hoppas forskarna kunna ge en prognos av olika framtida havsevent.

- I projektet har vi undersökt två väldigt olika hav, medelhavet och den arktiska oceanen, och vi har testat olika tillvägagångssätt, kommenterar Bertrand Chapron från IFREMER till ESA.

Även om forskningen idag har kommit långt finns det en bit kvar att gå innan vi kan utforska den fulla potentialen för den digitala tvillingen. Om vi i framtiden kan utveckla en digital tvilling av jorden, en komplett kopia av vår värld, återstår att se.

Antarktis

Antarktis är en av världens stora reservoarer av sötvatten, som till följd av global uppvärmning kan orsaka havsnivåerna att höjas. Redan idag byggs många modeller av Antarktis istäcke men många av modellerna skiljer sig mycket från varandra. Variationen är särskilt stor vid instabila områden. Därför kan en digital tvilling av Antarktis, med ett ständigt flöde av uppdaterade data, vara till stor nytta.

- Genom att nyttja satellitobservationer, numeriska simulationer och artificiell intelligens har vi byggt en tvilling av Antarktis istäckesystem, hydrologi, det omgivande havet, atmosfären och biosfären. Vi har använt tvillingen av Antarktis för att spåra smältvatten på och under istäcken, och för att utforska hur ishyllor smälter under olika scenarion, kommenterar Noel Gourmelen, från University of Edinburgh till ESA.

Hydrologi

Hydrologi är läran om vatten på jordens olika landområden, och fokuserar på kretslopp, förekomst och fördelning. I arbetet för att bygga en digital tvilling av hydrologi har forskarna utvecklat en 4D-rekonstruktion av dynamisk hydrologi genom att kombinera jordobservationer och avancerade modelleringssystem.

- Hydrologi-prototypen har hittills använts nationellt för att hantera vattenresurser och för att identifiera platser och tillfällen med ökad risk för jordskred och översvämning i området kring floden Po i Italien, säger Luca Brocca från det nationella forskningsrådet i Italien till ESA.