Il CNR partecipa al progetto “Earth Digital Twin” di ESA (European Space Agency), la definizione del gemello digitale della Terra

Creare un modello digitale della Terra per monitorare e simulare le attività umane e naturali che si svolgono sul nostro pianeta è l’ambizioso obiettivo del progetto Destination Earth (DestinE), che verrà sviluppato dalla Commissione Europea nei prossimi dieci anni.

Al centro di DestinE c’è la tecnologia dei digital twin, che verranno utilizzati per creare repliche digitali del sistema Terra in tutta la sua complessità. L’obiettivo finale è integrare queste repliche digitali per formare un gemello digitale completo dell’intero sistema terrestre entro il 2030.

Nell’ambito della quarta edizione di ESA Φ-week che si è svolta a metà ottobre, un gruppo di scienziati europei ha presentato il progetto di implementazione e le potenziali aree di applicazione del Digital Twin Earth.

Il progetto mira a realizzare il “gemello digitale” della Terra per studiare, comprendere e prevedere gli impatti sul nostro pianeta derivanti da fenomeni naturali e dalle attività umane.

Anche il Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) italiano, ha partecipato contribuendo alla componente “Digital Twin Hydrology”.

Digital Twin of Earth (DTE)

La replica digitale virtuale della Terra può aiutarci a comprendere il passato, il presente e il futuro del nostro pianeta.

Nei prossimi decenni, si prevede che la crescita della popolazione e le attività umane condizioneranno fortemente risorse critiche come acqua e cibo, intensificheranno lo stress sugli ecosistemi terrestri e marini, nonché 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 come inondazioni e ondate di calore, dovranno essere attentamente monitorate, soprattutto per le popolazioni più vulnerabili.

Il sistema, utilizzando dati di osservazione della Terra, misurazioni di campo e intelligenza artificiale, 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 delle conseguenze sul “sistema Terra” causate dal comportamento umano e contribuirà a sostenere le politiche ambientali europee, in questi giorni al centro dell’attenzione dei media in conseguenza della Conferenze dei G20 (Roma) e della UN Climate Change Conference COP26 (Glasgow).

Nel settembre 2020, l’ESA ha lanciato diverse attività che includevano lo sviluppo di digital twin per foresta, idrologia, Antartide, sistemi alimentari, oceani e aree calde del pianeta.

Alla ESA Φ-week 2021, gli esperti della comunità hanno presentato i risultati delle attività dell’ultimo anno.

Digital Twin Antarctica

L’Antartide è un importante serbatoio di acqua dolce per il mondo e può contribuire enormemente all’innalzamento del livello del mare in futuro. Gli attuali modelli della calotta glaciale presentano importanti differenze e deviazioni tra loro, nonché una forte variabilità nelle aree instabili.

Per questi motivi è necessario un gemello digitale dell’Antartide. 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 di fusione sopra e sotto la calotta glaciale e per simulare come le piattaforme di ghiaccio si sciolgono in vari scenari idrologici”.

Digital Twin Food Systems

Il gemello digitale Food Systems simula quotidianamente le attività agricole e le interazioni all’interno degli ecosistemi. Diversi modelli possono essere eseguiti a seconda del sistema di gestione delle colture, dell’acqua e dell’irrigazione.

Chandra Taposea, di CGI IT UK Lt, ha dichiarato:

“Il nostro Digital Twin Food Systems è riuscito a integrare modelli di diversi domini, osservando come precipitazioni straordinarie possono influenzare i modelli di colture a livello globale”.

Digital Twin Hydrology

Il progetto prevede la creazione di una solida base scientifica e tecnica per realizzare un Digital Twin Earth incentrato sul ciclo dell’acqua, sull’idrologia e sulle sue diverse applicazioni. Il progetto svilupperà una replica digitale ad altarisoluzione (1 km) del ciclo dell’acqua, dei processi idrologici e dei loro impatti per il bacino del fiume Po, sfruttando tecniche avanzate di telerilevamento e modellazione.

Luca Brocca, del Consiglio Nazionale delle Ricerche, Italia, spiega cosa comporta l’Hydrology Digital Twin:

“Nel progetto ESA Digital Twin Earth Hydrology, abbiamo sviluppato una ricostruzione 4D dell’idrologia dinamica a una risoluzione senza precedenti attraverso l’integrazione di numerose osservazioni terrestri, con un modello avanzato del sistema. Il Prototipo DTE Hydrology 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, nel nord Italia.”

Climate Impacts Digital Twin

Il Climate Impacts Digital Twin consentirà ai decisori, senza conoscenze particolari conoscenze tecniche, di generare e visualizzare in tempo reale informazioni rilevanti per decisioni relative agli impatti dei cambiamenti climatici per determinate regioni.

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 Machine Learning per offrire capacità di supporto decisionale avanzate direttamente ai nostri stakeholder”.

Forest Digital Twin

Matti Motus, Principal Scientist di VTT, spiega come funziona Forest Digital Twin:

“Questo gemello digitale sarà un gemello digitale della Terra specializzato nella ricostruzione del sistema forestale a livelli di dettaglio non possibili con modelli generici di superficie terrestre. L’osservazione satellitare della Terra, in particolare i dati di alta qualità del sistema Copernicus Sentinel, ci consente di ottenere informazioni uniche e uniformi per tutte le foreste del globo”.

Ocean Digital Twin

Questo Ocean Digital Twin utilizza la potenzialità dell’intelligenza artificiale per apprendere direttamente dai dati presenti e passati e dal comportamento del sistema Terra, il futuro degli 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 nel Mar Mediterraneo e le dinamiche del ghiaccio marino per aiutare a valutare l’amplificazione degli effetti dell’Artico.

2021-2030: le fasi del progetto per arrivare al digital twin completo della Terra

Via via che verranno sviluppati, i gemelli digitali di DestinationE verranno messi a disposizione attraverso una piattaforma aperta e basata su cloud.

Da qui enti pubblici e privati potranno accedere a informazioni, analisi di scenario, servizi di previsione e simulazione, con l’obiettivo finale di accelerare la transizione verde, prevedere il degrado ambientale e supportare le scelte politiche dell’Europa e degli stati membri.

Il lancio della piattaforma è previsto per il 2023, insieme ai primi due modelli di digital twin dedicati, rispettivamente, ai disastri naturali estremi e all’adattamento ai cambiamenti climatici.

Entro il 2025 verranno integrati altri digital twin e saranno resi disponibili al settore pubblico i primi servizi  per il monitoraggio e la definizione delle misure politiche e legislative riguardanti il cambiamento climatico.

Tra il 2025 e il 2030 è prevista l’elaborazione di un gemello digitale completo della Terra, che integra tutti i modelli sviluppati negli anni precedenti.