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Computersimulationen – die dritte Säule der Forschung

Computersimulationen bilden neben Theorie und Experiment die dritte Säule der Forschung. Sie ermöglichen Einblicke und Erkenntnisse, die aus physikalisch-technischen, finanziellen und ethischen Gründen bislang nicht möglich waren. Mit Supercomputern erforschen Wissenschaftler die Atmosphäre und das Klima, biologisch wichtige Substanzen, grundlegende Materialeigenschaften sowie chemische Vorgänge, die im Labor nicht nachstellbar sind. Dabei nutzen sie die ständig steigende Rechenleistung der Jülicher Supercomputer. So können die Forscher in Zukunft komplexere Vorgänge und Strukturen untersuchen, zum Beispiel in der Umweltforschung.

Simulationen für die Umweltforschung

Die physikalischen und chemischen Prozesse in der Atmosphäre sind sehr komplex. Sie zu verstehen ist die Grundlage dafür, verlässliche Klimamodelle zu entwickeln und die Auswirkungen des Klimawandels prognostizieren zu können. Um diese Aufgaben zu lösen, nutzen Klimaforscher Supercomputer, an denen sie verschiedene Szenarien simulieren, in welche Messdaten einfließen. So können Wissenschaftler anhand von Computersimulationen den Weg von Schad- und Spurengase in der Atmosphäre unter Berücksichtigung von Wandlungs- und Abbauprozessen nachvollziehen und ermitteln, wie die Luftverschmutzung das Klima beeinflusst. Auch können mithilfe von Atmosphärensimulationen neue Detektionsmethoden für Vulkanemissionen entwickelt werden.

Rechenpower für Ensemblesimulationen

In sogenannten "Ensemblesimulationen", die in der Klimaforschung zum Einsatz kommen, wird die gleiche Simulation mehrfach gestartet, wobei die Parameter jeweils leicht verändert werden. Somit können Unsicherheiten der Simulationen bestimmt werden. Dies ist notwendig, da sich die Randbedingungen in der Realität, wie zum Beispiel Emissionsraten von Treibhausgasen während der Messzeiträume häufig ändern.

Das Potenzial dieser Ensemblesimulationen kann nur an Supercomputern ausgeschöpft werden. Für diese Art von Rechnungen ist der Clustercomputer JUROPA besonders geeignet, weil dieser Rechner dank des größeren Speichers die Arbeit mit sehr großen Datenmengen ermöglicht. Dazu zählen hauptsächlich die datenintensive Auswertung langer Zeitreihen von Satellitenmessungen, aber auch die großen Eingabedatenmenge für Atmosphärenchemie- und Klimasimulationen.

Simulationsexpertise an fachspezifischen Laboratorien

Begleitet werden die Klimaforscher von Experten des Simulationslaboratoriums "Climate Science" des Jülich Supercomputing Centre (JSC) am Forschungszentrum. Das JSC unterhält eine Reihe dieser fachbereichsspezifischen "SimLabs". Diese sind spezialisiert auf die Simulationsanforderungen verschiedener Wissenschaftszweige hinsichtlich Software, Algorithmenentwicklung, Datentransfer und –speicherung.

Für die Geowissenschaften gibt es etwa das SimLab "Terrestrial Systems". Auch in dieser Disziplin sind Supercomputer ein wichtiges Werkzeug. Forscher simulieren beispielsweise die Wechselwirkungen zwischen Böden, Pflanzen, Grundwasser und Atmosphäre, wie den Wasserkreislauf oder den Austausch von Kohlenstoff. Solche Simulationen ermöglichen es, die komplexen Prozesse besser zu verstehen. Mit diesem Wissen lassen sich Klima und Wetter genauer vorhersagen.

Hierfür müssen die Supercomputer große Datenmengen bewältigen. Da die Rechensysteme immer leistungsfähiger werden, können Geowissenschaftler bei ihren Anwendungen immer höhere räumliche Auflösungen, längere Simulationszeiträume und realistischere Modelle verwenden. Die Experten des SimLabs helfen ihnen, Modelle und Anwendungen für den Einsatz auf den Jülicher Supercomputern anzupassen und zu optimieren.

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