地球的數(shù)字模型將幫助科學(xué)家更好地預(yù)測(cè)氣候變化。（圖片來(lái)源：歐洲航天局）
地球的數(shù)字模型可以幫助科學(xué)家模擬地球未來(lái)，找到應(yīng)對(duì)氣候變化引發(fā)的各種問(wèn)題的措施。
數(shù)字孿生地球，這個(gè)先進(jìn)的模型由歐洲航天局及其合作伙伴基于地球觀測(cè)衛(wèi)星和地面?zhèn)鞲衅鱾魉偷臄?shù)據(jù)和圖像研發(fā)而得。這一項(xiàng)目正在研發(fā)以裝配上上先進(jìn)的人工算法和強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)保證模型的可靠性。
在蘇格蘭格拉斯哥舉辦的為期兩周的第26屆聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)上，歐洲航天局及其合作伙伴總結(jié)了他們?nèi)〉玫耐怀龀删汀?/p>
歐洲航天局在2020年啟動(dòng)了數(shù)字孿生地球項(xiàng)目并邀請(qǐng)歐洲的研究者和科技公司在10月11日到10月15日的Phiweek會(huì)議上呈現(xiàn)他們的進(jìn)展。
這一精妙的地球模型旨在模擬不同自然進(jìn)程和人類活動(dòng)造成的影響并預(yù)測(cè)未來(lái)進(jìn)化的景象。例如，科學(xué)家模擬在一定區(qū)域內(nèi)用可再生能源發(fā)電廠取代化石燃料如何改變了溫室氣體的含量，這種轉(zhuǎn)變又如何影響了海平面上升的速率。
在PhiWeek的研討會(huì)上，歐洲航天局的合作伙伴介紹了幾種局部模型，是著眼于地球子系統(tǒng)不同區(qū)域的小型數(shù)字模型。
例如，一個(gè)由蘇格蘭愛(ài)丁堡大學(xué)的科學(xué)家?guī)ьI(lǐng)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的南極洲數(shù)字模型。
科學(xué)家聲明南極洲擁有地球上60%的淡水資源，如果所有的冰川融化，全球海平面將上漲有190英尺（約合58米）之多。數(shù)字孿生模型將有助于研究者更好掌握冰川的狀況，研究冰川的解凍進(jìn)程。
“將衛(wèi)星觀測(cè)、數(shù)值仿真和人工智能有效結(jié)合，我們構(gòu)建了南極冰川系統(tǒng)的孿生模型，其中包括它的水文地理學(xué)、周邊海洋環(huán)境、大氣層和生物圈。” 愛(ài)丁堡大學(xué)的冰凍層專家，諾埃爾·古爾默朗在歐洲航天局的一份聲明中說(shuō)，“我們借助南極冰凍層的孿生模型追蹤冰川融水的去向并且探索不同水文地理情境下邊緣陸架冰的融解情況”。
其他局部模型著眼于北意大利波爾河流域的水文情況，還有非洲的干旱氣候。
海洋孿生模型由法國(guó)國(guó)家海洋科學(xué)研究所構(gòu)建，致力于研究大氣層變化與海洋行為的關(guān)聯(lián)。科學(xué)家們將運(yùn)用這個(gè)模型研究所謂的“北極放大效應(yīng)”，這一鮮為人知的現(xiàn)象是指北極地區(qū)的變暖速度是世界其他地區(qū)的兩倍。
即使使用者沒(méi)有完備的地球觀測(cè)和氣候模擬的科學(xué)知識(shí)，這些模型也是簡(jiǎn)單適用的。研究人員稱，政策制定者利用這些模型可以形象地看到生態(tài)系統(tǒng)的變化和各種決策帶來(lái)的模型后果。
舉例而言，數(shù)字孿生食物系統(tǒng)不僅模擬了農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)自然系統(tǒng)的干預(yù)而且模擬了氣候變化對(duì)糧食生產(chǎn)的影響。
森林?jǐn)?shù)字孿生模型旨在構(gòu)建最精細(xì)和實(shí)際的全球森林覆蓋模型，研究包括吸收溫室氣體在內(nèi)的森林在地球生命中發(fā)揮的各種功能。
相關(guān)知識(shí)
溫室效應(yīng)是指行星的大氣層因?yàn)槲蛰椛淠芰浚沟眯行潜砻嫔郎氐男?yīng)。由于溫室效應(yīng)，行星表面溫度會(huì)比沒(méi)有大氣層時(shí)的溫度要高[1][2]。以往認(rèn)為其機(jī)制類似溫室使其中氣溫上升的機(jī)制，故名為“溫室效應(yīng)”。不少研究指出，人為因素使地球上的溫室效應(yīng)異常加劇，而造成全球暖化的效應(yīng)。
太陽(yáng)輻射主要是因?yàn)槎滩ㄝ椛洌欢孛孑椛浜痛髿廨椛鋭t是長(zhǎng)波輻射。大氣對(duì)長(zhǎng)波輻射的吸收力較強(qiáng)，對(duì)短波輻射的吸收力較弱。白天時(shí)，太陽(yáng)光照射到地球上，部分能量被大氣吸收，部分被反射回宇宙，大約47%的能量被地球表面吸收。晚上地球表面以紅外線的方式向宇宙散發(fā)白天吸收的熱量，其中也有部分被大氣吸收。
BY: Tereza Pultarova
FY: gxmm
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977年9月5日，旅行者一號(hào)發(fā)射升空，朝著離開(kāi)太陽(yáng)系的方向前進(jìn)，它途徑木星和土星，并在完成主要任務(wù)后。在1990年2月14日，旅行者一號(hào)在距離地球64億公里開(kāi)外的地方時(shí)，地球上的指揮中心操作著旅行者一號(hào)朝著太陽(yáng)系中的幾大行星拍攝了一組照片，最后在計(jì)算機(jī)的合成下，匯聚成了一張?zhí)?yáng)系的全家福。
在這張全家福中，有一張照片格外引人關(guān)注，這就是地球的照片。在這張照片當(dāng)中，你很難找到地球的身影，因?yàn)榫嚯x太遠(yuǎn)，地球只有0.12個(gè)像素點(diǎn)那么大了。
這張照片后來(lái)也被著名的天文學(xué)家卡爾·薩根稱為：暗淡藍(lán)點(diǎn)。它向我們展現(xiàn)出，地球雖歸為八大行星之一，但它卻如此渺小。而要知道的是拍攝這張照片時(shí)，旅行者一號(hào)距離地球64億公里，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有離開(kāi)太陽(yáng)系。
在此之后，旅行者一號(hào)一直在朝著離開(kāi)太陽(yáng)系的方向進(jìn)發(fā)，就這樣一直持續(xù)至今，旅行者一號(hào)已經(jīng)飛了231.4億公里。可是它依然還沒(méi)有飛離太陽(yáng)系，據(jù)估算，旅行者一號(hào)要離開(kāi)太陽(yáng)系，至少還需要幾萬(wàn)年的時(shí)間。
換句話說(shuō)，旅行者一號(hào)實(shí)際上還在距離太陽(yáng)系中心很近的位置，但是它拍攝的地球照片已經(jīng)小到幾乎看不到。如果用一個(gè)上帝視角來(lái)看太陽(yáng)系，由于實(shí)在太大，我們應(yīng)該是看不到地球的存在。
所以，地球?qū)嶋H上在宇宙中是十分渺小的，而且是超乎我們想象的渺小。
那么地球到底有多渺小？宇宙到底有多大？我們不妨來(lái)看看，比地球更大的宇宙結(jié)構(gòu)到底是什么樣的存在？
我們都知道，地球處于太陽(yáng)系中，并且是太陽(yáng)系中幾乎可以忽略不計(jì)的存在。而太陽(yáng)系呢？
太陽(yáng)系在銀河系當(dāng)中，在銀河系當(dāng)中，類似于太陽(yáng)這樣的恒星有1500億-4000億顆，太陽(yáng)只是其中普普通通的一顆。某種程度上說(shuō)，太陽(yáng)在銀河系當(dāng)中也是幾乎可以忽略不計(jì)的存在。
那銀河系就很大了嗎？
實(shí)際上也并不是。比銀河系更大的宇宙結(jié)構(gòu)是：星系群。銀河系處于本星系群當(dāng)中，本星系中與銀河系屬于同等級(jí)別的星系大概有幾十個(gè)。
但本星系群也不是最大的宇宙結(jié)構(gòu)，比本星系群更大的是超星系群或者超星系團(tuán)，本星系所在的是室女座超星系團(tuán)，或者我們也可以把它叫做：本超星系團(tuán)。在本超星系團(tuán)當(dāng)中，與銀河系同等級(jí)別的星系有4.7萬(wàn)個(gè)，某種程度上說(shuō)，在本超星系團(tuán)當(dāng)中，銀河系根本不值得一提。
那有沒(méi)有比本超星系團(tuán)更大的宇宙結(jié)構(gòu)？顯然還是有的，而且還不少。按照現(xiàn)在的科學(xué)理論來(lái)看，由于光速和引力波是恒定的，宇宙的年齡僅有138億年，再加宇宙自身加速膨脹的效應(yīng)，人類可能觀測(cè)到的宇宙極限范圍是直徑為930億光年的球狀空間，這被我們稱為：可觀測(cè)宇宙。
據(jù)估算，可觀測(cè)宇宙當(dāng)中，與銀河系同等級(jí)別的星系差不多有2萬(wàn)億個(gè)。那么問(wèn)題來(lái)了，可觀測(cè)宇宙就是最大的嗎？實(shí)際上，并非如此。可觀測(cè)宇宙只是宇宙的一小部分，宇宙遠(yuǎn)比可觀測(cè)宇宙要大得多。
那么宇宙到底有多大？
1995年12月18號(hào)，哈勃望遠(yuǎn)鏡被征用10天，用來(lái)朝著天球中最暗的一個(gè)小小的區(qū)域連續(xù)曝光了10天。當(dāng)時(shí)的天文學(xué)家們都無(wú)法理解這樣的行為，他們認(rèn)為這是在浪費(fèi)寶貴的資源。
拍攝下來(lái)的照片，最終疊加拼合在了一起，照片一經(jīng)公布，震撼了整個(gè)天文學(xué)界。在這張照片當(dāng)中，可以看到3000多個(gè)距離地球非常遙遠(yuǎn)的星系，這些星系都是和銀河系一樣的天體。而這張照片也被命名為：哈勃深空。
“哈勃深空”告訴我們一個(gè)道理，這道理就是：在地球上，無(wú)論你朝著宇宙的哪個(gè)方向看，宇宙都是差不多的，都有數(shù)不清的天體。這就意味著要么地球是宇宙的中心，要么宇宙是無(wú)限大的，處處是中心。
很多科學(xué)家更傾向于后者，他們認(rèn)為宇宙大概率是無(wú)限大的。不僅如此，根據(jù)1998年的觀測(cè)結(jié)果來(lái)看，宇宙現(xiàn)在還在加速膨脹，變得越來(lái)越大。也就是說(shuō)，地球之于宇宙，不僅是渺小得連塵埃都算不上，而且這個(gè)渺小的趨勢(shì)還在愈演愈烈。然而這還不是最凄涼的，不知道你想過(guò)沒(méi)有，為什么宇宙會(huì)加速膨脹？
這主要是人類并不能看到宇宙的全貌 ，宇宙當(dāng)中還存在著許多人類觀測(cè)不到的物質(zhì)和能量，它們才是宇宙真正的主角，而人類以及人類能夠測(cè)到的一切才是宇宙中的少數(shù)派。根據(jù)現(xiàn)在的觀測(cè)結(jié)果來(lái)看，人類已知的物質(zhì)只占宇宙總量的5%不到，宇宙中還存在著暗物質(zhì)和暗能量。暗物質(zhì)大概是已知物質(zhì)的6倍，而暗能量才是宇宙中的絕對(duì)主宰，比已知物質(zhì)和暗物質(zhì)加起來(lái)都多。
已知物質(zhì)和暗物質(zhì)起到的是引力作用，暗能量則起到的是斥力的作用。宇宙正是在暗能量的驅(qū)使下才加速膨脹的。
而無(wú)論是暗物質(zhì)還是暗能量，用目前的科技手段都無(wú)法直接觀測(cè)到它們的存在。如果把它們都算上，那么人類乃至地球根本不值得一提。以上還都是按照現(xiàn)有的主流理論來(lái)講述，還不沒(méi)有算上一些非主流理論，比如：平行宇宙假說(shuō)或者多宇宙假說(shuō)。如果真的存在多個(gè)平行宇宙，那么只能顯得我們更加的渺小。
#地球#
前，研究人員通過(guò)記錄地震波數(shù)據(jù)，繪制出精確的地幔3D結(jié)構(gòu)。地幔位于地殼和外核之間。在計(jì)算機(jī)模擬中，他們基于地震波速度揭曉了地下結(jié)構(gòu)的存在，如圖所示，這是太平洋之下的地幔層結(jié)構(gòu)，較慢地震波是紅色和橙色部分，較快地震波是綠色和藍(lán)色部分。
▼這些圖片的作者是由美國(guó)普林斯頓大學(xué)教授杰倫·特龍普(Jeroen Tromp)教授，旨在今年年底建立整個(gè)地幔的3D地圖，最深可達(dá)到地下3000公里處。
▼三維圖像顯示出比平均值更快的地震波位置輪廓。
▼這張地圖顯示地下389公里處地震橫波速度的相對(duì)變異，藍(lán)色部分是高于波速平均值的地震波，紅色部分是低于波速平均值的地震波。
▼右側(cè)兩張圖像顯示的是地下1200公里深處歐洲兩點(diǎn)間的地震波數(shù)據(jù)，左側(cè)圖像是勘測(cè)的歐洲地區(qū)。特龍普和研究小組設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)程序?qū)⒄鎸?shí)地震數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行對(duì)比，之后針對(duì)產(chǎn)生的任何差異進(jìn)一步提高和完善計(jì)算機(jī)模型。