（2021-11-15）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。
（2021-11-15）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，參與的合作伙伴提出小規模的數位模型，蘇哥蘭愛丁堡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 （10x20x30 公分），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。
格拉斯哥的 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。根據 Ernst & Young 跨國機構最近的分析，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。
本文取材自2021年11月14日「那福忠西海岸數位隨筆（230）」：地球的孿生兄弟
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