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金山人語/地球的孿生兄弟

地球有孿生兄弟?怎麼抬頭看不見天空有另外一個地球?是看不見、但有能看見的人,也許是科學家,因為另外一個是數位的孿生地球,稱為Digital Twin Earth,用來研究與看管我們這個實心的地球。這個虛擬的地球由歐洲太空總署(ESA)發展,用衛星的地表影像,與已知的地面資料為基礎,複製一個精準的數位地球模型,來幫助實體地球不容易做、或做不到的事,像是監控地球的健康,模擬地球的自然系統與人類行為的關連。

對地球科學家來說,數位孿生是非常好的概念來研究地球的未來,或為氣候變化造成的問題尋求解答。以全球為範圍的超大模型,主要的目的,當然在模擬地球的自然運作與人類的活動,在不同假設之下,觀測地球的變化。比如把地球個一區域的化石燃料電廠關閉,代之以再生能源,來觀測溫室氣體減少的程度,同時連動的海水上升影響,這樣用不同的假設反覆模擬,或許能找到最適當的可行途徑。所以地球的數位分身,能讓科學的研究更為便捷。

ESA規劃的地球觀測(Earth Observation)計畫,每年舉行ΦWeek (Phi Week)研討會,邀請學界與企業參與行動,在2020年9月的ΦWeek,ESA為建構完整的數位孿生地球,提出幾項主要的前導科技,森林、水文、南極洲、糧食系統、海洋、以及氣候熱的地區。每一部分對數位地球都有不同的科學、技術、與運作的挑戰,包括AI所扮演的角色,資料的一致性,科學的可靠度,資訊與通訊技術的建設。複製一個地球,即使數位化,也不是一件容易的任務。

今年10月的ΦWeek會議,參與的合作夥伴提出小規模的數位模型,英國Edinburg大學的科學家們就發展了一個數位南極洲,南極洲擁有全球60%的淡水,如果完全溶化,海平面會升高58米。科學家藉衛星的觀測、以及數位的模擬,複製了南極洲的冰層系統、水文、周遭海洋、大氣、以及生物圈,幫助研究人員進一步瞭解冰層的狀態與溶解的過程,追蹤溶化了的水的去向,同時探索不同水文對邊緣冰架的影響。

法國的國家海洋科科學院,發展了一個海洋的數位模型,研究大氣的變化與海洋的動態,科學家們將來可以用來研究我們還不太瞭解的「北極放大」(Arctic Amplification)現象。北極氣溫升高的速度,比地球其餘地區快兩倍至三倍,我們目前知道是來自冰的溶化,冰的亮光與潔白,反射了大部分陽光,冰一旦溶化,露出深色的陸地或海水,反射的陽光減少,吸收的陽光增加,溫度就開始升高,而北極的冰每十年約溶化13%,造成升溫的加速。科學家將來用海洋數位模型研究,應有進一步的發現。

這些局部的數位模型,設計的都很簡單好用,即使對地球觀測與氣候模型的技術不熟悉,一樣可以運用,藉生態變化的觀測來決定策略的方針,或者藉多種決策的模擬檢視後果。例如運用數位農業系統,可以模擬農業活動如何干擾廣大自然系統,或是模擬氣候的變動對糧食生產的影響。運用數位複製的森林,來研究對地球生命的功能,像是儲存氣候暖化增加的二氧化碳。各種小型局部的數位地球,都可以發出很大的功效,將來完整的數位孿生地球,功效自不待言。

2020年9月,ESA發射了一顆小衛星(10x20x30cm),稱為Φ-Sat-1(Phi-Sat-1),從空中取得地球表面的精準影像,傳回地面。衛星體積雖小,卻內裝AI晶片,運用機器學習的演算,偵測雲的存在,過濾被雲遮住的部分,僅把有用的資料傳回地面以抒解傳輸瓶頸。除了可見光的影像,還傳回近紅外線與熱紅外線影像。高光譜的近紅外線攝影,把地面的樹木拍攝的更為清晰,而熱紅外線用中長波來拍攝地球表面的熱度。這一小衛星不斷的傳回地面的動態,成為是數位孿生地球的根基。

在Glasgow的COP26氣候會議,淨零排放的主題需要減少化石燃料,而數位孿生的概念,即時的監管城市與農業的氣體排放,在會議中數度成為討論的重點。英國的國家數位孿生計畫,在會議中展示電腦軟體,說明未來基礎建設彈性的重要,數位孿生是唯一可以達到淨零排放的途經。據跨國機構Ernst&Young最近的分析,數位孿生技術可以協助建築物內減少50-100%的碳排放,減少35%的運作費用,同時增加20%的生產力。

ESA的數位孿生地球,經合作夥伴不斷的建構更新,也許十數年完整之後,真的可以看到地球是如何牽一髮而動全身,看看地球的過去、看看地球的未來。

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