Jordens snabbt föränderliga arktiska kustområden har en överdimensionerad klimateffekt som ekar runt om i världen. Att spåra processer bakom denna utveckling är en skrämmande uppgift även för de bästa forskarna.

Kustlinjer är några av planetens mest dynamiska områden – platser där marina, markbundna, atmosfäriska och mänskliga handlingar möts. Men de arktiska kustområdena står inför de mest oroande problemen från mänskligt orsakade klimatförändringar från ökande växthusgasutsläpp, säger Los Alamos National Laboratory (LANL) forskare Andrew Roberts.

"De arktiska kustsystemen är mycket ömtåliga, säger Roberts, som leder det högpresterande datorsystemelementet i en bredare Department of Energy (DOE) Office of Science-insats, leds av dess kontor för biologisk och miljöforskning (BER), att simulera förändrade arktiska kustförhållanden. "Fram till de senaste decennierna, tjock, flerårig arktisk havsis verkar ha varit generellt stabil. Nu, värmande temperaturer får det att smälta."

På 1980-talet flerårig is som var minst fyra år gammal stod för mer än 30 procent av den arktiska täckningen; som har krympt till inte mycket mer än 1 procent idag. Medan den perenna packisen cirkulerar runt Arktis, en annan typ som kallas landfast is – förankrad vid en strandlinje eller havsbotten, fungerar som en flytande landförlängning — drar sig tillbaka mot kusten på grund av stigande temperaturer.

Detta utsätter kustområdena för skadliga vågor som kan skingra is och erodera kustnära permafrost, säger Roberts.

Forskare har visat att utbredningen av den arktiska havsisen i september minskar med cirka 13 procent varje decennium, eftersom Arktis värms upp mer än dubbelt så snabbt som resten av planeten – det som forskare kallar "Arctic amplification".

Förändringar i arktisk havsis och landissmältning kan störa det så kallade globala havstransportbandet som cirkulerar vatten runt planeten och hjälper till att stabilisera klimatet, Roberts rapporterar. Bäcken rör sig kall, tät, saltvatten från polerna till de tropiska haven, som skickar varmt vatten i retur.

Arktis har nu fastnat i en förlamande återkopplingsslinga:havsis kan reflektera 80 procent eller mer av solljus i rymden, men dess obevekliga nedgång orsakar större och större områden av mörker, öppet hav för att ta sin plats på sommaren och absorbera mer än 90 procent av middagssolljuset, leder till mer uppvärmning.

Roberts och hans kollegor retar ut hur minskningar av arktisk is och ökningar av arktiska temperaturer påverkar översvämningar, marin biogeokemi, frakt, utvinning av naturresurser och förlust av vilda livsmiljöer. Teamet bedömer också effekterna av klimatförändringar på traditionella samhällen, där antropogen uppvärmning påverkar vädermönster och skadar jaktmarker och infrastruktur som byggnader och vägar.

Arktisk permafrost – frusen mark – tinar snabbt på grund av ett värmande klimat. Vissa forskare förutspår att ungefär 2,5 miljoner kvadratkilometer av denna jord - cirka 40 procent av världens totala - kan försvinna vid seklets slut och frigöra enorma mängder av potenta växthusgaser, inklusive metan, koldioxid och vattenånga.

Det övergripande forskningsprojektet, den BER-sponsrade Interdisciplinary Research for Arctic Coastal Environments (Interface), ledd av Joel Rowland, även från LANL, och är ett multiinstitutionellt samarbete som inkluderar andra nationella laboratorier och universitet. Roberts har övervakat de beräkningsmässiga aspekterna av DOE-projektet som har gynnats av 650, 000 nodtimmar av superdatortid 2020 vid National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) vid Lawrence Berkeley National Laboratory.

De arktiska kustberäkningarna använde NERSCs Cori, ett Cray XC40-system med 700, 000 bearbetningskärnor som kan utföra 30 tusen biljoner flyttalsoperationer per sekund.

LANL-forskarna, med kollegor från många andra nationella laboratorier, har förlitat sig på och bidragit till utvecklingen av ett sofistikerat DOE-stödt forskningsverktyg kallat Energy Exascale Earth System Model (E3SM), låta dem använda superdatorsimulering och datahantering för att bättre förstå förändringar i arktiska kustsystem. InterRFACE-aktiviteter bidrar till utvecklingen av E3SM och drar nytta av dess bredare utveckling.

E3SM skildrar atmosfären, hav, land- och havsis – inklusive massa- och energiförändringar mellan dem – i hög upplösning, tredimensionella modeller, fokuserar Coris datorkraft på små regioner av stort intresse. Forskarna har skapat rutnätsliknande maskor av triangulära celler i E3SM:s havsis och havskomponenter för att reproducera regionens kustlinjer med hög trohet.

"En av de stora frågorna är när smältande havsis kommer att göra Ishavet farbart året runt, " säger Roberts. Även om statliga och kommersiella fartyg - även kryssningsfartyg - har kunnat manövrera genom nordvästpassagen i den kanadensiska skärgården under de senaste somrarna, år 2030 kan regionen vara rutinmässigt navigerbar under många månader om året om havsissmältningen fortsätter i snabb takt, han säger.

E3SM-utvecklingen kommer att hjälpa forskare att bättre förstå hur mycket nordvästpassagen är navigerbar jämfört med traditionella rektangulära maskor som används i många lägre upplösningsklimatmodeller, Roberts anteckningar.

E3SM har väderskalaupplösning – det vill säga tillräckligt detaljerad för att fånga fronter, stormar, och orkaner – och använder avancerade datorer för att simulera aspekter av jordens variation. Koden hjälper forskare att förutse förändringar i dekadisk skala som kan påverka den amerikanska energisektorn under kommande år.

"Om vi ​​hade datorkraft, vi skulle vilja ha högupplösta simuleringar överallt i världen, " säger han. "Men det är otroligt dyrt att genomföra."

Ethan Coon, en Oak Ridge National Laboratory-forskare och en medutredare av ett relaterat projekt, stöds av DOE Advanced Scientific Computing Research (ASCR)-programmets Leadership Computing Challenge (ALCC), säger att uppvärmningen av land i fjärran norr "förvandlar den arktiska hydrologiska cykeln, och vi ser betydande förändringar i floder och bäckar." ALCC-programmet tilldelar superdatortid för DOE-projekt som betonar högrisk, simuleringar med hög utdelning och det breddade forskarsamhället.

Coon, en alumn från DOE Computational Science Graduate Fellowship, säger att uppvärmningen förändrar vägarna för floder och bäckar. När upptinande permafrost sjunker lägre under ytan, grundvatten rinner djupare under jorden och förblir kallare när det rinner ut i bäckar – vilket kan påverka fiskar och andra vilda djur.

Det som händer på land har en stor inverkan på havet, Roberts håller med. Äntligen, han säger, "Vi har äntligen förmågan att verkligen förfina kustregioner och simulera deras fysiska processer."