Tierra y clima
Tiempo atmosférico, clima, océanos, hielo, terremotos, inundaciones e incendios: el planeta como un conjunto de ecuaciones acopladas.
El planeta es un sistema acoplado de atmósfera, océano, hielo, roca y biosfera. Estas simulaciones lo discretizan en celdas de malla y lo integran hacia adelante en el tiempo. La predicción meteorológica es el uso más conocido.
Modelos del sistema terrestre
Atmósfera, océano, hielo marino, tierra y ciclo del carbono acoplados en una malla global y ejecutados durante siglos.
Pregunta que responde: ¿Cuánto se calienta el planeta con una trayectoria dada de emisiones?
Deja fuera: Las nubes siguen representadas por parametrizaciones, la mayor fuente de desacuerdo entre los modelos.
Se ejecuta en: unos 1017 FLOPS aproximado una gran parte de una supercomputadora nacional, durante meses.Desde: 1969 El primer modelo climático acoplado océano-atmósfera, de Manabe y Bryan.En el árbol de Simulaciones: Océano y atmósfera acoplados
Paleoclima
Los mismos modelos se ejecutan sobre las eras glaciales y el tiempo profundo, con otros continentes, órbitas y atmósferas.
Pregunta que responde: ¿Qué desencadenó las glaciaciones, y qué dice el pasado sobre la sensibilidad del clima?
Deja fuera: Las costas, el hielo y la vegetación antiguos se reconstruyen a partir de evidencia escasa y luego se tratan como datos de entrada conocidos.
Se ejecuta en: unos 1017 FLOPS aproximado similar a una ejecución climática moderna, una parte de una supercomputadora durante meses.Desde: 1977 La primera simulación con un modelo de circulación general del clima de una edad de hielo, de Manabe y Hahn.
Mantos de hielo y nivel del mar
Glaciares y capas de hielo que fluyen, se derriten y se desprenden en el mar.
Pregunta que responde: ¿Con qué rapidez podrían los mantos de hielo aportar al nivel del mar en este siglo?
Deja fuera: La física de cómo el hielo se fractura y se desliza de repente sigue estando mal captada.
Se ejecuta en: unos 1015 FLOPS aproximado un clúster universitario, de días a semanas por siglo simulado.Desde: 1976 El primer modelo computacional de diferencias finitas de un manto de hielo, de Mahaffy.
Modelos de evaluación integrada
Energía, economía, uso del suelo y clima enlazados en un solo modelo, usado para comparar vías de políticas.
Pregunta que responde: ¿Qué mezcla de energía y uso del suelo mantiene el calentamiento por debajo de un límite dado, y a qué costo?
Deja fuera: Reduce toda la economía y el clima a un puñado de ecuaciones, así que la respuesta depende mucho de la tasa de descuento que se elija.
Se ejecuta en: unos 1012 FLOPS aproximado una laptop; una ejecución completa tarda de segundos a minutos.Desde: 1992 El modelo DICE de Nordhaus, el primer modelo clima-economía de uso generalizado.
Reducción de escala del clima regional
El resultado grueso de un modelo climático global, usado para alimentar uno regional más fino sobre un país o una cordillera.
Pregunta que responde: ¿Qué significa realmente el calentamiento global para el tiempo meteorológico de este valle?
Deja fuera: Hereda los sesgos del modelo global en el que está anidado, solo que con mayor resolución.
Se ejecuta en: unos 1016 FLOPS aproximado un clúster nacional, semanas para una proyección regional.Desde: 1989 los primeros modelos climáticos regionales anidados ejecutados en un área limitada.
Geoingeniería solar
Modelos climáticos ejecutados con una intervención deliberada añadida, como partículas reflectantes inyectadas en la atmósfera superior, para ver qué cambiaría.
Pregunta que responde: ¿Podría reducir deliberadamente la luz solar entrante compensar el calentamiento, y qué efectos secundarios tendría?
Deja fuera: Ninguna intervención de este tipo se ha llevado a cabo a gran escala, así que todo resultado depende de lo bien que el modelo represente aerosoles nunca observados con ese despliegue.
Se ejecuta en: unos 1017 FLOPS aproximado una gran parte de una supercomputadora nacional, durante meses.Desde: 1992 los primeros experimentos con modelos climáticos que probaban una hipotética intervención de tipo volcánico.
Modelos World-Earth
Modelos climáticos acoplados a representaciones dinámicas sencillas del comportamiento humano, de modo que las emisiones, la política y el cambio social respondan al estado del planeta.
Pregunta que responde: ¿Cómo interactúan, a lo largo de siglos, los puntos de inflexión sociales y las retroalimentaciones climáticas?
Deja fuera: Las reglas de comportamiento son hipótesis, y el detalle climático espacial es grueso.
Se ejecuta en: unos 1014 FLOPS aproximado Modelos de complejidad reducida ejecutados en grandes conjuntosDesde: 2018 Earth system modelling with complex dynamic human societies: the copan:CORE framework (2018) fuente
Modelos globales que resuelven las nubes
Modelos atmosféricos con una malla lo bastante fina, de unos pocos kilómetros, para representar explícitamente la convección profunda en todo el globo.
Pregunta que responde: ¿Se pueden simular directamente los sistemas de nubes tropicales en lugar de mediante parámetros?
Deja fuera: Las ejecuciones son cortas, y la turbulencia y la microfísica de las nubes siguen aproximándose.
Se ejecuta en: unos 1018 FLOPS aproximado Semanas de tiempo simulado en las máquinas más grandesDesde: 2007 A Madden-Julian oscillation event realistically simulated by a global cloud-resolving model (2007) fuenteEn el árbol de Simulaciones: Modelo global que resuelve las nubes
Superparametrización
Un pequeño modelo que resuelve las nubes se incrusta dentro de cada columna de uno global grueso para sustituir el esquema habitual de convección.
Pregunta que responde: ¿Puede la física explícita de las nubes mejorar un modelo climático sin una malla global fina completa?
Deja fuera: Los modelos incrustados son pequeños y no se comunican con las columnas vecinas.
Se ejecuta en: unos 1016 FLOPS aproximado Los modelos de nubes 2D incrustados multiplican el costo muchas vecesDesde: 2001 Coupling cloud processes with the large-scale dynamics using the cloud-resolving convection parameterization (2001) fuente
Atribución de eventos extremos
Grandes conjuntos de ejecuciones climáticas con y sin influencia humana dan las probabilidades de una ola de calor, una inundación o una tormenta concretas en cada mundo.
Pregunta que responde: ¿Cuánto cambiaron las emisiones humanas la probabilidad de este evento en particular?
Deja fuera: Los resultados dependen de lo bien que el modelo reproduzca ese tipo de evento a esa escala.
Se ejecuta en: unos 1017 FLOPS aproximado De cientos a miles de miembros de conjuntoDesde: 2004 Human contribution to the European heatwave of 2003 (2004) fuente
Conjuntos de física perturbada calculados por voluntarios
Miles de copias de un modelo climático, cada una con parámetros físicos ligeramente distintos, ejecutadas en computadoras domésticas donadas.
Pregunta que responde: ¿Qué tan amplio es el rango de calentamiento compatible con una física incierta de los modelos?
Deja fuera: La estructura del modelo es fija; solo varían los parámetros.
Se ejecuta en: unos 1017 FLOPS aproximado Decenas de miles de ejecuciones de modelosDesde: 2005 Uncertainty in predictions of the climate response to rising levels of greenhouse gases (2005) fuente
Grandes conjuntos de condiciones iniciales
Un solo modelo climático se ejecuta decenas de veces a partir de inicios ligeramente distintos para separar el cambio forzado de la variabilidad interna.
Pregunta que responde: ¿Qué parte de una tendencia regional es el ruido propio del clima?
Deja fuera: Capta la variabilidad dentro de un modelo, no las diferencias entre modelos.
Se ejecuta en: unos 1018 FLOPS aproximado Decenas de ejecuciones acopladas de siglos de duraciónDesde: 2015 The CESM Large Ensemble Project (2015) fuente
Emuladores climáticos aprendidos
Una red neuronal entrenada con la salida de modelos climáticos hace avanzar la atmósfera durante décadas o siglos a una pequeña fracción del costo.
Pregunta que responde: ¿Puede un sustituto entrenado reproducir con rapidez las estadísticas climáticas de varias décadas?
Deja fuera: Hereda los sesgos del modelo con el que se entrenó y puede fallar fuera de los climas que vio.
Se ejecuta en: unos 1015 FLOPS aproximado Entrenamiento con archivos de modelos, y luego ejecuciones largas baratasDesde: 2023 A fast, skillful learned global atmospheric model for climate prediction (2023) fuente
Gemelos digitales del sistema terrestre
Modelos del planeta de alta resolución y actualizados continuamente, alimentados con observaciones y construidos para responder a preguntas de «¿y si?» de los usuarios.
Pregunta que responde: ¿Qué le pasaría a una región si ocurriera una decisión o un suceso dado?
Deja fuera: El gemelo solo es tan fiel como sus modelos y sus datos, y los escenarios interactivos son limitados.
Se ejecuta en: unos 1019 FLOPS aproximado Modelos globales a escala de kilómetros con asimilaciónDesde: 2021 The digital revolution of Earth-system science (2021) fuente
Modelo climático radiativo-convectivo
Una sola columna de atmósfera en equilibrio entre radiación y convección, usada para hallar cuánto se calienta un planeta cuando cambian el dióxido de carbono o la humedad.
Pregunta que responde: ¿Cuánto se calienta una columna de aire cuando se duplica su gas de efecto invernadero?
Deja fuera: No tiene vientos, nubes ni transporte oceánico, así que da un calentamiento de referencia y no un pronóstico.
Se ejecuta en: unos 104 FLOPS aproximado una columna unidimensional, rápida en una laptop.Desde: 1967 El equilibrio térmico de la atmósfera con una distribución dada de humedad relativa, de Manabe y Wetherald. fuente
Modelo climático de balance energético
La Tierra reducida a bandas de latitud que absorben y emiten calor y lo intercambian por transporte, lo suficiente para mostrar la retroalimentación hielo-albedo y el salto entre estados climáticos.
Pregunta que responde: ¿Podría una cubierta de hielo desbocada congelar todo el planeta?
Deja fuera: La imagen ignora la dinámica y el tiempo meteorológico, así que informa pero no pronostica.
Se ejecuta en: unos 103 FLOPS aproximado un puñado de ecuaciones; segundos en cualquier computadora.Desde: 1969 El modelo climático global basado en el balance energético del sistema Tierra-atmósfera, de Sellers. fuente
Modelado dinámico global de la vegetación y del ciclo del carbono
Plantas, suelos y su intercambio de carbono simulados en todo el planeta, con tipos de vegetación que compiten y se desplazan a medida que cambia el clima.
Pregunta que responde: ¿Cuánto carbono absorberá o liberará la tierra a medida que el clima se caliente?
Deja fuera: Los tipos de plantas se agrupan en unas pocas clases funcionales, y la retroalimentación de nutrientes y perturbaciones es tosca.
Se ejecuta en: unos 1014 FLOPS aproximado ejecuciones globales de varios siglos, a menudo en una malla gruesa.Desde: 1996 El modelo integrado de biosfera de Foley y sus colegas de los procesos de la superficie terrestre, el balance del carbono terrestre y la dinámica de la vegetación. fuente
Simulación acoplada del ciclo del carbono y del clima
Un modelo climático con el ciclo del carbono terrestre y oceánico en su interior, de modo que el calentamiento pueda cambiar cuánto absorbe la Tierra y retroalimentarse.
Pregunta que responde: ¿Hará el calentamiento que la tierra y el océano pasen de absorber carbono a emitirlo?
Deja fuera: La respuesta del carbono terrestre varía mucho entre modelos por los supuestos sobre el suelo y la vegetación.
Se ejecuta en: unos 1017 FLOPS aproximado ejecuciones climáticas acopladas de varios siglos en una supercomputadora.Desde: 2000 La aceleración del calentamiento global por las retroalimentaciones del ciclo del carbono en un modelo climático acoplado, de Cox, Betts, Jones, Spall y Totterdell. fuente
Modelado del ecosistema oceánico y de la biogeoquímica
Nutrientes, plancton y detrito transportados y reciclados por el océano, para predecir la productividad y el carbono que llega a las profundidades.
Pregunta que responde: ¿Cuánto carbono lleva la vida oceánica hasta el fondo del mar?
Deja fuera: Los grupos de plancton son unos pocos compartimentos agrupados con tasas ajustadas.
Se ejecuta en: unos 1015 FLOPS aproximado un módulo biogeoquímico dentro de un modelo de circulación general del océano.Desde: 1990 El modelo de la dinámica del plancton en la capa mixta oceánica basado en el nitrógeno, de Fasham, Ducklow y McKelvie. fuente
Parametrización aprendida a escala subcuadrícula
Una red neuronal entrenada con un modelo que resuelve las nubes sustituye las reglas escritas a mano para tormentas y nubes demasiado pequeñas para un modelo climático global grueso.
Pregunta que responde: ¿Puede un modelo climático grueso acertar con las nubes de pequeña escala aprendiéndolas de uno más fino?
Deja fuera: La red puede derivar hacia estados inestables o no físicos cuando el clima sale de las condiciones con las que se entrenó.
Se ejecuta en: unos 1016 FLOPS aproximado entrenamiento con un pequeño conjunto de simulaciones finas, y luego uso barato dentro del modelo climático.Desde: 2018 La representación con aprendizaje profundo de los procesos a escala subcuadrícula en un modelo climático, de Rasp, Pritchard y Gentine. fuente
Predicción numérica del tiempo
La atmósfera observada hoy, avanzada de horas a días, normalmente como un conjunto de puntos de partida ligeramente distintos.
Pregunta que responde: ¿Lloverá aquí el jueves, y con cuánta seguridad lo sabemos?
Deja fuera: La destreza se desploma pasados unos diez días, por fina que sea la malla.
Se ejecuta en: unos 1017 FLOPS aproximado la supercomputadora de un centro meteorológico nacional, unos pocos puntos porcentuales de ella durante horas.Desde: 1950 El primer pronóstico numérico de Charney, Fjørtoft y von Neumann.En el árbol de Simulaciones: Primer pronóstico por computadora
Tiempo meteorológico aprendido por máquina
Redes neuronales entrenadas con décadas de datos meteorológicos pasados, que producen pronósticos en segundos en lugar de horas.
Pregunta que responde: ¿Puede un emulador aprendido pronosticar tan bien como la física con la que se entrenó?
Deja fuera: Aprende los patrones del tiempo meteorológico pasado, así que le cuestan los eventos extremos de un tipo que no ha visto antes.
Se ejecuta en: unos 1014 FLOPS aproximado una sola GPU de gama alta; pronósticos en segundos y no en horas.Desde: 2022 los primeros modelos meteorológicos aprendidos que igualaron la capacidad de pronóstico de los basados en la física.
Ciclones tropicales
Huracanes y tifones a alta resolución: sus trayectorias, su intensidad y sus lluvias.
Pregunta que responde: ¿Dónde tocará tierra la tormenta, y con qué fuerza?
Deja fuera: El ojo y la pared del ojo siguen siendo más pequeños de lo que la mayoría de los modelos puede resolver bien.
Se ejecuta en: unos 1016 FLOPS aproximado el clúster de un centro nacional de pronóstico, ejecutado para cada tormenta activa.Desde: 1969 El primer modelo numérico del desarrollo de un huracán, de Ooyama.
Calidad del aire y dispersión
Contaminantes, humo y ceniza volcánica transportados, mezclados y transformados químicamente por el viento.
Pregunta que responde: ¿Adónde va el penacho, y es seguro respirar el aire o volar a través de él?
Deja fuera: Los inventarios de emisiones, el dato de entrada del que depende todo el pronóstico, suelen estar desactualizados o estimados.
Se ejecuta en: unos 1014 FLOPS aproximado una estación de trabajo o un clúster pequeño, horas por episodio de contaminación.Desde: 1970 los primeros modelos informatizados de penacho gaussiano para la contaminación de chimeneas.
Pronóstico estacional
Un conjunto de ejecuciones de modelos de duración climática, iniciadas con el océano y la atmósfera de hoy, orientado a las probabilidades de toda una estación y no de un solo día.
Pregunta que responde: ¿Será este invierno más cálido o más húmedo que el promedio?
Deja fuera: No puede decir qué tiempo hará un día concreto, solo cómo se desplazan las probabilidades.
Se ejecuta en: unos 1017 FLOPS aproximado la supercomputadora de un centro nacional de pronóstico, un conjunto de ejecuciones cada temporada.Desde: 1986 los primeros pronósticos estacionales dinámicos con modelos acoplados al océano.
Tormentas convectivas severas
Una sola tormenta eléctrica o supercélula, resuelta hasta la escala de su corriente ascendente y descendente, para ver si genera un tornado o deja caer granizo grande.
Pregunta que responde: ¿Producirá esta tormenta un tornado, y dónde?
Deja fuera: Necesita una malla lo bastante fina para ver un tornado, lo que es demasiado caro de ejecutar en todos los lugares donde podría formarse una tormenta.
Se ejecuta en: unos 1016 FLOPS aproximado un clúster nacional, horas para una sola tormenta con resolución muy alta.Desde: 1975 los primeros modelos tridimensionales por computadora de una sola tormenta eléctrica.
Pronóstico meteorológico generativo por conjuntos
Un modelo de difusión genera muchos futuros meteorológicos plausibles para las dos semanas siguientes, con probabilidades para cada variable a escala global.
Pregunta que responde: ¿Puede un modelo aprendido ofrecer a bajo costo una incertidumbre de pronóstico calibrada?
Deja fuera: Está atado a los datos de reanálisis y no ofrece ninguna garantía física sobre los extremos raros.
Se ejecuta en: unos 1016 FLOPS aproximado Entrenamiento con décadas de reanálisis, minutos por miembro del conjuntoDesde: 2023 GenCast: diffusion-based ensemble forecasting for medium-range weather (2023) fuente
Pronóstico meteorológico por conjuntos
Un pronóstico ejecutado muchas veces a partir de estados iniciales ligeramente distintos, de modo que la dispersión muestra cuán incierto es el tiempo y cuán probable es cada resultado.
Pregunta que responde: ¿Qué tan fiable puede ser una predicción del tiempo, y qué podría pasar en cambio?
Deja fuera: Las perturbaciones del estado inicial solo captan en parte el error del modelo, así que la dispersión suele ser demasiado estrecha.
Se ejecuta en: unos 1016 FLOPS aproximado decenas de pronósticos globales cada día, cada uno una ejecución grande.Desde: 1974 La destreza teórica de los pronósticos Monte Carlo, de Leith. fuente
Reanálisis atmosférico
Un modelo de pronóstico moderno y fijo, ejecutado sobre décadas de observaciones pasadas y que las combina en un registro coherente y sin huecos de la atmósfera.
Pregunta que responde: ¿Cuáles eran los vientos, las temperaturas y las presiones en cada lugar y momento del pasado?
Deja fuera: Los cambios en el sistema de observación a lo largo del tiempo dejan tendencias artificiales en el registro.
Se ejecuta en: unos 1017 FLOPS aproximado décadas de ciclos de asimilación en una supercomputadora.Desde: 1996 El proyecto de reanálisis de 40 años NCEP/NCAR de Kalnay y sus colegas. fuente
Simulación de grandes remolinos de la capa límite atmosférica
El kilómetro más bajo de la atmósfera, donde los remolinos turbulentos mezclan calor, humedad y contaminantes, con los remolinos grandes resueltos y los pequeños modelados.
Pregunta que responde: ¿Cómo llevan los remolinos turbulentos el calor y la humedad hacia arriba desde el suelo?
Deja fuera: El intercambio superficial y la mezcla a escala subcuadrícula están parametrizados, lo que limita la precisión cerca del suelo.
Se ejecuta en: unos 1014 FLOPS aproximado unos pocos kilómetros de dominio con una resolución de decenas de metros.Desde: 1972 La investigación numérica de Deardorff de las capas límite planetarias neutras e inestables. fuente
Simulación global que resuelve las tormentas
Un modelo atmosférico de todo el planeta con una resolución de pocos kilómetros, de modo que los conjuntos de tormentas y las tormentas tropicales aparecen sin parametrización de la convección.
Pregunta que responde: ¿Qué hace la atmósfera cuando las tormentas se resuelven en lugar de aproximarse?
Deja fuera: La microfísica de las nubes y la turbulencia por debajo de unos pocos kilómetros siguen parametrizadas, y las ejecuciones son demasiado cortas para estudiar el clima.
Se ejecuta en: unos 1019 FLOPS aproximado semanas en las máquinas más grandes para unos pocos meses simulados.Desde: 2008 El modelo atmosférico icosaédrico no hidrostático para simulaciones globales que resuelven nubes, de Satoh y sus colegas. fuente
Emisión y transporte de polvo mineral
Viento que levanta polvo del desierto, lo lleva a través de los mares y lo deposita, para hallar su efecto en la radiación, los nutrientes del océano y la calidad del aire.
Pregunta que responde: ¿Cuánto polvo del desierto entra en el aire y adónde va?
Deja fuera: Los umbrales de emisión dependen de propiedades del suelo y de la superficie que están mal cartografiadas.
Se ejecuta en: unos 1014 FLOPS aproximado un módulo de polvo dentro de un modelo atmosférico a lo largo de años.Desde: 1994 Modelo de polvo mineral en la atmósfera de Tegen y Fung: fuentes, transporte y espesor óptico. fuente
Modelado del balance de energía de la superficie urbana
Calles, tejados y muros tratados como un cañón que intercambia calor, humedad y momento lineal con el aire, para predecir las islas de calor urbanas y la necesidad de refrigerar edificios.
Pregunta que responde: ¿Por qué una ciudad es más cálida que el campo que la rodea?
Deja fuera: Las ciudades se reducen a cañones idealizados, así que el detalle de los edificios y el calor del tráfico se aproximan.
Se ejecuta en: unos 1012 FLOPS aproximado un esquema de cañón urbano dentro de un modelo atmosférico sobre un área metropolitana.Desde: 2000 El esquema de base física de Masson para el balance energético urbano en modelos atmosféricos. fuente
Modelado de la termosfera y la ionosfera
La atmósfera superior, de 100 a 600 kilómetros, calentada por la luz solar y las partículas, con vientos y corrientes eléctricas que cambian el arrastre de los satélites y las señales de radio.
Pregunta que responde: ¿Cómo cambia la actividad solar la atmósfera superior y la propagación de las ondas de radio?
Deja fuera: La frontera inferior y la energía que llega desde arriba se imponen a partir de datos escasos.
Se ejecuta en: unos 1013 FLOPS aproximado simulación acoplada de la atmósfera superior durante días de clima espacial.Desde: 1988 El modelo de circulación general acoplado de termosfera e ionosfera de Roble, Ridley, Richmond y Dickinson. fuente
Circulación oceánica
Corrientes, remolinos, calor y sal que se mueven por los océanos del mundo.
Pregunta que responde: ¿Podrían ralentizarse las grandes corrientes de vuelco del Atlántico?
Deja fuera: Los remolinos que mezclan calor y carbono son en su mayoría más pequeños que la malla, así que su efecto debe parametrizarse.
Se ejecuta en: unos 1016 FLOPS aproximado un clúster grande, semanas para una ejecución de varias décadas.Desde: 1969 El primer modelo por computadora de Bryan de la circulación oceánica global.
Tsunamis y marejadas ciclónicas
Olas levantadas por terremotos o tormentas, que cruzan el océano y suben por la costa.
Pregunta que responde: ¿Hasta dónde subirá el agua, y qué calles se inundarán primero?
Deja fuera: Las defensas costeras y el drenaje suelen simplificarse muy por debajo de la resolución del propio ascenso del agua.
Se ejecuta en: unos 1013 FLOPS aproximado una estación de trabajo; minutos para una ejecución de alerta costera.Desde: 1969 Los primeros experimentos numéricos de Aida para modelar un tsunami.
Ríos e inundaciones
Lluvia que cae sobre una cuenca, que se infiltra o escurre hacia arroyos, ríos y llanuras de inundación.
Pregunta que responde: ¿Qué tan grande es la inundación que provoca esta tormenta, y dónde?
Deja fuera: El suelo y el uso de la tierra se promedian en toda la cuenca, lo que oculta el campo o la cárcava concreta que de verdad se inunda.
Se ejecuta en: unos 1012 FLOPS aproximado una laptop; una ejecución de cuenca tarda minutos.Desde: 1966 El modelo lluvia-escorrentía de la cuenca de Stanford de Crawford y Linsley.
Aguas subterráneas
Agua que se mueve despacio por el suelo y la roca en los acuíferos.
Pregunta que responde: ¿Cuánto tiempo podemos bombear este acuífero antes de que se sequen los pozos?
Deja fuera: Las propiedades de la roca y del suelo del subsuelo se trazan a partir de sondeos separados por cientos de metros, así que la mayor parte del acuífero se infiere.
Se ejecuta en: unos 1012 FLOPS aproximado una laptop o una estación de trabajo; de minutos a horas por acuífero.Desde: 1968 El primer modelo de diferencias finitas de un acuífero, de Pinder y Bredehoeft.
Hielo marino
Hielo flotante en la superficie del océano que se agrieta, se amontona, deriva y se derrite bajo el viento, las olas y el calor.
Pregunta que responde: ¿Cuánto del océano Ártico seguirá cubierto de hielo al final del verano?
Deja fuera: Trata un campo heterogéneo de témpanos agrietados y con crestas como una lámina continua y lisa.
Se ejecuta en: unos 1015 FLOPS aproximado un clúster universitario o nacional, semanas acopladas a una ejecución del océano.Desde: 1969 los primeros modelos por computadora del hielo marino a la deriva del Ártico.
Predicción del oleaje
Viento que sopla sobre aguas abiertas, genera y dirige el oleaje y la marejadilla, y se sigue para pronosticar la altura y la dirección de las olas para barcos y costas.
Pregunta que responde: ¿Qué tan agitado estará el mar aquí mañana?
Deja fuera: Funciona mal en las crestas más empinadas y rompientes, que son las que más importan para la seguridad marítima.
Se ejecuta en: unos 1015 FLOPS aproximado el clúster de un centro nacional de pronóstico, ejecutado varias veces al día.Desde: 1956 los primeros pronósticos numéricos del oleaje a partir de los métodos de predicción de mar de fondo de la guerra.
Modelado de inundaciones
Agua de un río o de una tormenta que se extiende por una llanura aluvial en una malla de terreno, para trazar la profundidad y la extensión para seguros y planificación.
Pregunta que responde: ¿Qué calles y campos quedan bajo el agua en una inundación?
Deja fuera: El error lo dominan la precisión del terreno y el hidrograma de entrada, no los métodos numéricos.
Se ejecuta en: unos 1012 FLOPS aproximado modelos de aguas poco profundas o ráster de una cuenca fluvial en dos dimensiones.Desde: 2000 El modelo sencillo basado en ráster de Bates y De Roo para simular inundaciones. fuente
Modelado de la circulación costera y de estuarios
Mareas, ríos y vientos que mueven agua, sal y sedimento por bahías y estuarios en una malla que sigue el terreno.
Pregunta que responde: ¿Cómo mezclan el agua a lo largo de una costa las mareas y los ríos?
Deja fuera: Los errores de mezcla a pequeña escala y de batimetría limitan la precisión cerca de la costa.
Se ejecuta en: unos 1012 FLOPS aproximado modelo regional tridimensional con ejecuciones de un año.Desde: 1987 La descripción de Blumberg y Mellor de un modelo tridimensional de circulación oceánica costera. fuente
Modelado de desechos marinos y de deriva lagrangiana
Partículas virtuales llevadas por corrientes oceánicas simuladas u observadas para hallar adónde van el plástico flotante, el petróleo o las larvas.
Pregunta que responde: ¿Adónde van a parar los plásticos flotantes de una costa?
Deja fuera: El efecto del viento, la deriva por las olas y el hundimiento o la fragmentación de las partículas se conocen mal.
Se ejecuta en: unos 1012 FLOPS aproximado millones de partículas arrastradas durante un año de flujo oceánico.Desde: 2012 Origen, dinámica y evolución de los parches de basura oceánicos a partir de boyas de deriva superficiales observadas, de van Sebille, England y Froyland. fuente
Simulación de yacimientos de petróleo y gas
Petróleo, gas y agua que fluyen por los poros de un yacimiento rocoso hacia los pozos, para planificar la perforación y predecir cuánto se puede recuperar.
Pregunta que responde: ¿Cuánto petróleo dará un yacimiento, y dónde deben ir los pozos?
Deja fuera: Las propiedades de la roca entre pozos se infieren a partir de datos escasos, así que la incertidumbre suele ser mayor que la numérica.
Se ejecuta en: unos 1013 FLOPS aproximado flujo multifásico en un modelo geológico de millones de celdas.Desde: 1955 La solución numérica de ecuaciones diferenciales parabólicas y elípticas de Peaceman y Rachford, base de los primeros simuladores de yacimientos. fuente
Ajuste isostático glaciar y huellas del nivel del mar
La corteza terrestre que rebota al fundirse las capas de hielo y los océanos que se redistribuyen, para predecir el cambio regional del nivel del mar y el campo gravitatorio.
Pregunta que responde: ¿Por qué el nivel del mar baja en algunos lugares cuando se funde el hielo y sube en otros?
Deja fuera: La viscosidad del manto bajo las placas está poco acotada y varía de una región a otra.
Se ejecuta en: unos 1012 FLOPS aproximado modelos viscoelásticos de la Tierra resueltos sobre una esfera.Desde: 1976 El cálculo del nivel del mar posglacial de Farrell y Clark. fuente
Simulación del almacenamiento geológico de dióxido de carbono
Dióxido de carbono inyectado que se extiende, asciende y se disuelve en una formación rocosa salina, y del que se sigue a lo largo de siglos el atrapamiento por la roca sello, la capilaridad y las reacciones minerales.
Pregunta que responde: ¿Se quedará el gas bajo tierra, y adónde va?
Deja fuera: La roca bajo el pozo solo se conoce por unos pocos pozos y estudios, así que la permeabilidad y las fallas se estiman con una gran incertidumbre.
Se ejecuta en: unos 1015 FLOPS aproximado semanas en un clúster para un modelo a escala de cuenca durante miles de años.Desde: 2002 La intercomparación de Lawrence Berkeley de códigos numéricos para el almacenamiento geológico de CO2. fuente
Transporte reactivo en el subsuelo
Agua que arrastra sustancias químicas por la roca o el suelo mientras los minerales se disuelven, precipitan e intercambian iones, resuelta junto con el flujo.
Pregunta que responde: ¿Cómo se modifican con el tiempo la química y la hidráulica de un acuífero o de un depósito?
Deja fuera: Las velocidades de reacción medidas en un laboratorio se aplican a una roca cuya superficie reactiva en el subsuelo se desconoce.
Se ejecuta en: unos 1014 FLOPS aproximado días en un clúster para un sitio de campo tridimensional.Desde: 1985 El modelo continuo de Lichtner para reacciones químicas acopladas y transporte de masa en sistemas hidrotermales. fuente
Convección del manto y tectónica de placas
Roca caliente que se desliza lentamente dentro del planeta durante cientos de millones de años y arrastra las placas que están encima.
Pregunta que responde: ¿Por qué la Tierra tiene tectónica de placas y sus vecinos no?
Deja fuera: Ejecuta millones de años simulados a la vez, así que no puede mostrar además un solo terremoto.
Se ejecuta en: unos 1015 FLOPS aproximado un clúster universitario, semanas para una ejecución larga.Desde: 1974 El primer modelo numérico de convección del manto, de McKenzie, Roberts y Weiss.
Terremotos y ondas sísmicas
Fallas que se rompen y ondas que se propagan por la corteza y sacuden el suelo.
Pregunta que responde: ¿Con qué fuerza temblará esta ciudad si se rompe esa falla?
Deja fuera: El punto de inicio de la ruptura y la rugosidad exacta de la falla siguen suponiéndose en lugar de conocerse de antemano.
Se ejecuta en: unos 1016 FLOPS aproximado un clúster nacional o universitario, días para una gran ruptura de falla.Desde: 1968 El primer modelo de diferencias finitas de Alterman y Karal para las ondas sísmicas.
Erupciones volcánicas y coladas de lava
Magma que asciende, hace erupción y fluye cuesta abajo como lava, ceniza o nubes calientes de gran velocidad.
Pregunta que responde: ¿Qué pueblos quedan en el camino si el volcán entra en erupción?
Deja fuera: No puede predecir cuándo empieza una erupción, solo qué ocurre una vez que ya ha empezado.
Se ejecuta en: unos 1013 FLOPS aproximado una estación de trabajo o un clúster pequeño, horas por escenario.Desde: 1980 los primeros modelos por computadora de lava que fluye cuesta abajo desde un cráter.
Evolución del paisaje
Ríos que excavan valles, laderas que se deslizan despacio y costas que se erosionan durante miles o millones de años.
Pregunta que responde: ¿Cómo adquirió este paisaje su forma?
Deja fuera: Comprime millones de años en una ejecución, así que cualquier tormenta o desprendimiento de rocas concreto se difumina.
Se ejecuta en: unos 1013 FLOPS aproximado una estación de trabajo; días para un paisaje de un millón de años.Desde: 1991 Primer modelo computacional de evolución del paisaje, de Willgoose y colegas.
Propagación de incendios forestales
Fuego que avanza por el combustible, el terreno y el viento, celda a celda.
Pregunta que responde: ¿Dónde estará el frente del incendio dentro de seis horas?
Deja fuera: El viento, el mayor factor del comportamiento de un incendio real, suele simplificarse a un promedio constante.
Se ejecuta en: unos 1013 FLOPS aproximado una estación de trabajo o una laptop; minutos para un frente de fuego en expansión.Desde: 1972 Las ecuaciones de propagación de incendios de Rothermel, que pronto se computarizaron para el pronóstico.
Deslizamientos de tierra y flujos de detritos
Una ladera de suelo, roca o lodo que se desprende y se desplaza cuesta abajo, seguida mientras se acelera, se extiende y sepulta el terreno de abajo.
Pregunta que responde: ¿Hasta dónde llegará esta ladera cuando ceda, y con qué rapidez?
Deja fuera: El momento exacto en que una ladera falla sigue siendo más difícil de predecir que lo que ocurre después.
Se ejecuta en: unos 1013 FLOPS aproximado una estación de trabajo o un clúster pequeño, horas por escenario de ladera.Desde: 1980 los primeros modelos por computadora del alcance de una ladera que falla.
Peligro sísmico de base física
Las simulaciones de la ruptura de un terremoto y de la propagación de las ondas sustituyen las reglas empíricas de atenuación para dar la sacudida en cada sitio.
Pregunta que responde: ¿Con qué fuerza temblaría el suelo aquí para cada posible ruptura?
Deja fuera: Necesita un modelo de velocidades conocido, y las altas frecuencias son difíciles de resolver.
Se ejecuta en: unos 1018 FLOPS aproximado Muchos escenarios de ruptura, cada uno una simulación de ondas en 3DDesde: 2010 CyberShake: a physics-based seismic hazard model for Southern California (2010) fuente
Simulación de la geodinamo
La convección del hierro líquido en el núcleo de la Tierra que genera y sostiene el campo magnético, incluidas sus inversiones aleatorias.
Pregunta que responde: ¿Cómo produce el núcleo de la Tierra su campo magnético, y por qué se invierte?
Deja fuera: Los valores de viscosidad y conductividad están muy lejos de los reales, así que el flujo es mucho más suave que dentro de la Tierra.
Se ejecuta en: unos 1018 FLOPS aproximado meses en una supercomputadora para una dinamo que aún funciona lejos de las condiciones parecidas a las de la Tierra.Desde: 1995 La simulación tridimensional autoconsistente de una inversión del campo geomagnético de Glatzmaier y Roberts. fuente
Inversión sísmica de forma de onda completa
Ondas sísmicas que se hacen pasar una y otra vez por un modelo de prueba de la Tierra, que se ajusta hasta que las ondas sintéticas y las registradas coinciden, para obtener imágenes de la estructura de las rocas.
Pregunta que responde: ¿Cómo se ve la roca que tenemos debajo, vista por las ondas que la atravesaron?
Deja fuera: La inversión puede quedar atrapada en soluciones erróneas si el modelo de partida no está cerca.
Se ejecuta en: unos 1017 FLOPS aproximado miles de simulaciones de ondas dentro de un bucle de optimización.Desde: 1984 Inversión de datos de reflexión sísmica en la aproximación acústica, de Tarantola. fuente
Propagación de ondas sísmicas por elementos espectrales
Ondas sísmicas que se propagan por un modelo tridimensional de la corteza o de toda la Tierra con elementos de alto orden que siguen la topografía y las capas.
Pregunta que responde: ¿Cómo viajan las ondas por la Tierra real, con sus irregularidades?
Deja fuera: Los modelos de la Tierra son inciertos en la estructura de pequeña escala y en la atenuación, así que los periodos cortos son menos fiables.
Se ejecuta en: unos 1017 FLOPS aproximado ejecuciones de toda la Tierra que resuelven períodos de unos pocos segundos.Desde: 1998 El método de elementos espectrales de Komatitsch y Vilotte para la respuesta sísmica de estructuras de dos y tres dimensiones. fuente
Simulación del ciclo de los terremotos
Una falla cargada lentamente por el movimiento de las placas, con una fricción que se adhiere y se desliza, simulada a lo largo de muchos ciclos de acumulación tranquila y ruptura repentina.
Pregunta que responde: ¿Cómo se repiten los terremotos en una falla a lo largo de siglos?
Deja fuera: La ley de fricción se obtuvo en el laboratorio y se extrapola a profundidades y velocidades nunca medidas.
Se ejecuta en: unos 1014 FLOPS aproximado ciclos de falla con fricción de velocidad y estado durante miles de años.Desde: 1986 Tse y Rice, la inestabilidad sísmica de la corteza en relación con la variación en profundidad de las propiedades de deslizamiento por fricción. fuente
Modelos estocásticos de catálogos de terremotos
Secuencias sintéticas de terremotos generadas a partir de un modelo estadístico en el que cada sacudida aumenta la probabilidad de réplicas, para pronosticar la agrupación y el peligro.
Pregunta que responde: ¿Qué probabilidad hay de réplicas después de un gran terremoto?
Deja fuera: El modelo capta la agrupación estadística pero no tiene física del esfuerzo en las fallas.
Se ejecuta en: unos 106 FLOPS aproximado los catálogos estocásticos cuestan poco, y un conjunto largo se ejecuta en una estación de trabajo.Desde: 1988 Los modelos estadísticos de ocurrencia de terremotos y el análisis de residuos para procesos puntuales, de Ogata. fuente
Modelo de superficie terrestre
El intercambio de agua, calor y dióxido de carbono entre el suelo, las plantas y el aire, escrito como un componente de superficie para modelos de atmósfera y clima.
Pregunta que responde: ¿Cómo controlan las plantas y el suelo el calor y el agua que se mueven entre la tierra y el aire?
Deja fuera: La vegetación se describe con unos pocos parámetros por celda, y el movimiento del agua en el suelo está muy simplificado.
Se ejecuta en: unos 1012 FLOPS aproximado una columna unidimensional por cada celda de la cuadrícula dentro de los modelos climáticos.Desde: 1986 El modelo simple de biosfera para usar dentro de modelos de circulación general, de Sellers, Mintz, Sud y Dalcher. fuente
Modelos acoplados de fuego y atmósfera
Un frente de fuego y el viento que crea se resuelven juntos, de modo que el calor del fuego atrae aire, cambia el flujo y, a su vez, altera cómo se propaga el fuego y cómo lanza brasas y humo.
Pregunta que responde: ¿Cómo remodela un incendio el viento que lo alimenta?
Deja fuera: La combustión y el combustible se representan con leyes de velocidad sencillas, así que los comportamientos extremos, como los incendios de copas y las pavesas, solo se captan de forma aproximada.
Se ejecuta en: unos 1014 FLOPS aproximado días en un clúster para un gran incendio con resolución de decenas de metros.Desde: 1996 El modelo acoplado de atmósfera e incendio de Clark, Jenkins y Coen de la dinámica del frente de fuego. fuente