Tal día como hoy...
...en 1996, un artículo de Gurvan Madec y Maurice Imbard del Laboratoire d'Océanographie Dynamique et de Climatologie de la Université Paris VI era publicado el 1 de mayo en Climate Dynamics. Su título era modesto: "A global ocean mesh to overcome the North Pole singularity." Su objeto parecía acotado: un método matemático para construir una malla oceánica global que evita la singularidad de coordenadas que aparece cuando una malla regular de latitud-longitud converge en el Polo Norte. Pero la solución que describía, conocida desde entonces como la malla ORCA, se convirtió en la base geométrica sobre la que se construyó NEMO, y NEMO se convirtió en el modelo oceánico que hoy sustenta las proyecciones climáticas del IPCC, las predicciones operacionales del Servicio Marino Copernicus y el componente oceánico de los modelos del sistema Tierra utilizados por el Met Office, el ECMWF, el CMCC, el CNRS e instituciones de toda Europa y más allá.
Para entender lo que resolvió el artículo es útil comprender el problema. Cualquier modelo oceánico numérico requiere una malla computacional que divida el océano en celdas discretas. La elección más natural es una malla regular de latitud-longitud, donde las líneas de latitud y longitud constantes forman los límites de las celdas. Pero esa malla tiene un defecto geométrico fundamental: a medida que las líneas de longitud convergen hacia los polos, las celdas se vuelven infinitamente pequeñas cerca del Polo Norte, y el paso de tiempo requerido para la estabilidad numérica se reduce proporcionalmente. Para un modelo del océano del hemisferio sur esto no es un problema grave: el Polo Sur se encuentra sobre el continente antártico y simplemente no forma parte del dominio oceánico. Pero el Polo Norte se encuentra en medio del océano Ártico, que está dinámicamente conectado con el Atlántico Norte y la circulación termohalina global. Cualquier modelo oceánico global que tome en serio el Ártico no puede simplemente excluir el Polo Norte, y cualquier modelo que lo incluya enfrenta una penalización computacional severa. La solución de Madec e Imbard fue deformar la malla: en lugar de situar los polos del sistema de coordenadas en los polos geográficos, los trasladaron a tierra, uno sobre el continente norteamericano y otro sobre Siberia, usando una construcción analítica en el plano estereográfico polar que producía una malla curvilínea ortogonal suave, continua y sin singularidades que cubría todo el océano global. El ecuador permanecía como línea de malla, preservando la precisión numérica de la dinámica ecuatorial. El estrecho de Bering podía abrirse sin tratamiento especial. Y las celdas computacionales mantenían un tamaño razonablemente uniforme en todo el dominio, permitiendo un único paso de tiempo consistente para las integraciones globales. El resultado fue lo que llamaron la malla ORCA.
La malla ORCA no era en sí misma un modelo oceánico: era una infraestructura geométrica sobre la que podía construirse un modelo. El modelo era OPA (Océan PArallélisé), un modelo de circulación general oceánica de ecuaciones primitivas que había estado en desarrollo en el Laboratoire d'Océanographie Dynamique et de Climatologie desde finales de los años ochenta. El OPA había sido utilizado en una serie de configuraciones regionales y globales, pero carecía de la capacidad de simular el océano global completo, incluido el Ártico, en un único marco consistente. La malla ORCA proporcionó esa capacidad. A lo largo de los años siguientes, el OPA evolucionó a través de versiones sucesivas, incorporando un componente de hielo marino, un módulo biogeoquímico e interfaces para el acoplamiento con modelos atmosféricos. A principios de los años dos mil, un consorcio de instituciones europeas formalizó el desarrollo en torno a una plataforma común y le dio un nuevo nombre: NEMO, por Nucleus for European Modelling of the Ocean. El consorcio reunió al CNRS y el Institut Pierre-Simon Laplace en Francia, el National Oceanography Centre y el Met Office en el Reino Unido, el CMCC en Italia y otros socios europeos, creando la estructura de gobernanza que ha gestionado el desarrollo del modelo desde entonces. Gurvan Madec, el primer autor del artículo de 1996, ha permanecido como figura central en el desarrollo de NEMO a lo largo de toda su historia.
El alcance científico de NEMO es difícil de exagerar. Es el componente oceánico de más de una docena de modelos del sistema Tierra que contribuyeron con simulaciones a la sexta fase del Proyecto de Intercomparación de Modelos Acoplados (CMIP6), el conjunto de modelos que sustentó el Sexto Informe de Evaluación del IPCC. Es el motor del sistema global de análisis y predicción oceánica del Servicio Marino Copernicus, que proporciona estimaciones diarias del estado del océano y predicciones a diez días a usuarios de toda Europa y del mundo. Impulsa los sistemas de predicción oceánica de la suite de predicción estacional del ECMWF. Su malla ORCA, a resoluciones que van desde dos grados hasta un doceavo de grado, es la malla oceánica global estándar para toda una generación de modelización climática y oceánica operacional europea. Y es el modelo cuya salida alimenta OceanLive, que utiliza sus campos oceánicos globales para generar los mapas diarios de temperatura superficial del mar, salinidad, anomalía del nivel del mar, clorofila y velocidad de las corrientes que son la pieza central de este sitio web de efemérides.
La arquitectura de NEMO ha crecido considerablemente desde sus orígenes en el OPA. El modelo actual integra el motor de física oceánica del OPA con los modelos de hielo marino LIM y SI3, los modelos biogeoquímicos PISCES y TOP, y una interfaz de acoplamiento flexible para la interacción con modelos atmosféricos, de superficie terrestre y de oleaje. Admite discretizaciones verticales tanto en coordenadas z como en pasos parciales, una gama de parametrizaciones de mezcla sub-malla, y configuraciones que van desde estudios de procesos idealizados hasta simulaciones globales con resolución de remolinos. El consorcio de desarrollo publica nuevas versiones en un ciclo regular, con cada versión incorporando avances en métodos numéricos, parametrizaciones físicas y rendimiento en computación de alto rendimiento.
Las contribuciones de Madec e Imbard (1996) y del marco NEMO que creció de su trabajo abarcan varias dimensiones interrelacionadas:
- Solución de la singularidad del Polo Norte en los modelos oceánicos globales: La malla tripolar ORCA eliminó la singularidad numérica que había limitado los modelos oceánicos globales a excluir el Ártico o tratarlo con un costoso manejo especial, permitiendo las primeras simulaciones oceánicas globales suaves y computacionalmente eficientes que incluyen el dominio completo del océano Ártico dentro de un único marco consistente.
- Fundamento de NEMO y el consorcio europeo de modelización oceánica: La malla ORCA se convirtió en el núcleo geométrico del OPA y posteriormente de NEMO, la plataforma que ha unificado la modelización oceánica y climática europea en torno a una infraestructura técnica común, permitiendo un desarrollo colaborativo a una escala imposible para cualquier institución individual.
- Componente oceánico del conjunto de modelos del CMIP6: Más de una docena de modelos del sistema Tierra que contribuyeron al CMIP6, y a través de él al Sexto Informe de Evaluación del IPCC, utilizaron NEMO como su componente oceánico, convirtiendo el marco en un contribuyente directo a la base científica internacional para la política climática.
- Infraestructura de la predicción oceánica operacional en Europa: NEMO sustenta el sistema global de análisis y predicción oceánica del Servicio Marino Copernicus, la suite de predicción estacional del ECMWF y los sistemas operacionales de servicios meteorológicos y oceanográficos nacionales de toda Europa, convirtiéndolo en la principal herramienta mediante la cual la ciencia oceánica europea informa los servicios marinos, la preparación ante desastres y la gestión de recursos.
- Plataforma para la modelización del sistema Tierra física-biogeoquímica acoplada: La integración de PISCES y otros modelos biogeoquímicos dentro del marco NEMO lo ha convertido en una de las principales plataformas para estudiar la absorción de carbono oceánico, la desoxigenación, la acidificación y la dinámica de los ecosistemas marinos bajo escenarios climáticos pasados y futuros.
El artículo publicado el 1 de mayo de 1996 tenía ocho páginas e introducía una sola idea matemática: trasladar los polos de la malla a tierra firme. No es el tipo de artículo que gana premios ni genera atención pública. Pero es el tipo de artículo que hace posible lo que antes no lo era, y que luego se vuelve invisible precisamente porque lo que permitió se ha convertido en infraestructura. Cada proyección climática basada en NEMO, cada predicción del Servicio Marino Copernicus y cada mapa de OceanLive generado a partir de datos de NEMO traza su dominio global hasta la malla curvilínea que Madec e Imbard describieron en esas ocho páginas.
Fuentes