Si può fare un “gemello digitale del mare”? Quando nel 2018 proposi ad alcuni scienziati marini di lavorarci insieme, mi presi del “matto”. Poi, nel 2023, sono stati lanciati alcuni grandi progetti europei per creare un Digital Twin of the Ocean (DTO), e la discussione se si possa o meno fare un DTO, è finita.
Qual è la domanda scientifica che sottende allo sviluppo di un DTO? Vediamo di capirlo.
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I limiti dei modelli attuali per lo studio del mare
Lo sfruttamento insostenibile delle risorse oceaniche sta minacciando gli oceani, i mari e le coste europee. Per valutare l’effetto dell’uomo sulla salute del mare, si usano attualmente sistemi di valutazione ambientale integrata e modelli ecosistemici che cercano di modellare le pressioni ambientali.
Questi modelli però, sono ancora incerti e utilizzano principalmente approcci euristici, basati sulla esperienza, ma manca una vera comprensione di molti elementi, e si ignorano una parte non piccola delle mutue interazioni tra i diversi “sistemi” dell’Oceano.
Perché, come dicevano i miei amici marini, il mare è “mille cose insieme”: processi oceanografici, pericolosità geologiche e geo-risorse, habitat marini, trasporti marittimi, ingegneria del mare ed energia rinnovabile, pesca, acquacoltura, ma anche impatti antropici chimico-fisici, come inquinamento, accumulo di plastiche, rumore sottomarino e altro. E occorre aggiungere, oggi, che il mare è anche “averne cura”: reti di sensori, piattaforme strumentate, osservazione da satellite, modelli matematici e intelligenza artificiale, utili per la comprensione e la valutazione delle buone condizioni di saluto del mare.
Intelligenza artificiale e gemello digitale del mare
L’intelligenza artificiale può aiutare a superare le limitazioni dei modelli euristici, e sviluppare rappresentazioni virtuali scalabili e robuste come gemelli digitali dell’oceano (DTO), supportata da modelli AI avanzati che combinano dati provenienti da flussi di dati eterogenei e in tempo reale. I modelli di AI possono essere potenziati con leggi fisiche/biologiche per modellare le relazioni complesse tra tutti i sistemi che compongono un’area marina.
Il DTO considera l’oceano come un sistema di sistemi (ad esempio, morfologico, geologico, chimico, fisico, biologico ed economico). I suoi componenti AI elaborano i flussi di dati con l’obiettivo di simulare i sottosistemi fondamentali di un ecosistema marino funzionante e rispondere a domande complesse sul suo stato attuale, sulla sua resilienza e sulle risposte previste alle eventuali perturbazioni, e il cambiamento futuro e l’impatto sulle specie marine residenti e sui servizi ecosistemici.
Il corretto accoppiamento tra i diversi risolutori di componenti ecosistemici sarà garantito utilizzando un approccio di analisi multidisciplinare. Questo aiuterà a scoprire e comprendere nuove relazioni di accoppiamento tra i componenti dell’ecosistema.
Strategie di implementazione del gemello digitale dell’oceano
Il DTO mira complessivamente a migliorare la comprensione delle funzioni degli ecosistemi e a migliorare la nostra conoscenza degli oceani. Gli attuali sforzi per lo sviluppo dei DTO sono basati principalmente sull’uso dei dati satellitari e mirati a sviluppare gemelli digitali globali per tutti gli oceani, ma è anche possibile una diversa strategia di implementazione, basata sullo studio di aree marine relativamente ridotte e accuratamente selezionate.
Applicazioni e benefici del gemello digitale del mare
L’ambizione finale è lo sviluppo di sistemi di supporto decisionale intelligenti (DSS) per diverse aree marine, in grado di selezionare la strategia ottimale per identificare attività umane sostenibili con impatti zero (o inferiori) sugli ecosistemi. Il DTO aiuterà a valutare lo stato dell’ecosistema delle aree, e i rischi futuri, per informare i potenziali stakeholder e mitigare i rischi. Serviranno dati oceanografici, biodiversità, marittimi, sociali e della pesca. Verranno progettate e sperimentate strategie per standardizzare i flussi di dati identificati e migliorare la loro usabilità nei modelli AI.
I nuovi modelli AI così progettati, miglioreranno i modelli ecologici e ecosistemici all’avanguardia, scoprendo (crediamo) automaticamente le connessioni funzionali dai dati e dagli ecosistemi e simulando le relazioni complesse all’interno delle aree marine studiate per l’ottimizzazione della conservazione delle risorse, la previsione dei cambiamenti dell’ecosistema dovuti alle alterazioni dei driver antropici e ambientali, la previsione a lungo termine dello stato dell’ecosistema sotto scenari futuri di cambiamento ambientale e sociale, e la sua potenziale influenza retroattiva sulla società.
Progetti europei e futuro del gemello digitale del mar
Una caratteristica cruciale sarà la riusabilità e l’interoperabilità dei modelli tra le aree, che sarà raggiunta attraverso strumenti di scienza aperta e infrastrutture elettroniche che ospitano i modelli. I progetti in corso si chiamano ILIAD, EDITO, DTO BioFlow, che utilizzano piattforme dati e infrastutture sperimentali quali EMODnet, BlueCloud e Copernicus Marine Services (CMEMS). Complessivamente, il DTO contribuirà naturalmente a raggiungere gli obiettivi della missione Europea “Ripristinare i nostri oceani e acque entro il 2030”.
