Vědy o Zemi

Detekce urbanistických změn s pomocí hlubokých neuronových sítí a dálkového průzkumu Země            

Výzva: 25. Veřejná grantová soutěž; OPEN-25-24
Hlavní řešitel: Georg Zitzlsberger
Instituce: IT4Innovations
Oblast: Vědy o Zemi

Dálkový průzkum Země popisuje pozorování událostí na dálku, například pomocí satelitů obíhajících kolem Země, které se používají k zobrazování zemského povrchu. To se může dít různými způsoby, například pořizováním multispektrálních snímků nebo pomocí radaru. 
První způsob využívá sofistikovanou digitální kameru, která zachycuje i neviditelné světelné, infračervené či ultrafialové, spektrum. Druhý způsob využívá radar se syntetickou aperturou (SAR), který vysílá radarový signál a detekuje jeho odraz, což funguje při vysokém rozlišení a také za tmy.

V našem výzkumu kombinujeme obě pozorování dohromady, přičemž využíváme různé družice, například ERS-1/2 a Landsat 5 TM (1991–2011) nebo Sentinel 1 a 2 (2017–dnes). V kombinaci s hlubokou neuronovou sítí (umělou neuronovou sítí) identifikujeme změny ve městech, tj. výstavbu/likvidaci budov nebo silnic. V naší práci využíváme téměř všechna dostupná pozorování, která umožňují neustálé a automatické sledování měst i venkovských oblastí.     

Studium microseismických jevů pomocí analýzy seismických vln metodami hlubokého učení

Výzva: 24. Veřejná grantová soutěž; OPEN-24-76
Hlavní řešitel: Christian Sippl
Instituce: Akademie věd České republiky
Oblast: Vědy o Zemi

K největším zemětřesením na planetě dochází v subdukčních zónách, kde se jedna tektonická deska Země pohybuje pod druhou. Místo přímého zkoumání těchto nepravidelných velkých událostí studujeme tisíce až 100 000 mikrozemětřesení, která se v těchto oblastech každoročně vyskytují. Většina z nich je příliš malá na to, aby byla citelná. Vzorce a mechanismy těchto malých událostí obsahují informace o napěťových podmínkách v dané oblasti. Mohou omezit pravděpodobnost a prostorový rozsah (nikoli však načasování) budoucích velkých zemětřesení.
Vzhledem k obrovskému počtu malých zemětřesení ve zkoumaných oblastech (>10 000 ročně jen na severu Chile v Jižní Americe) a velkému množství dostupných seismických dat (10 TB) není zpracování takových událostí "ručně" proveditelné. V tomto projektu trénujeme počítače na detekci a lokalizaci takových malých zemětřesení pomocí algoritmů hlubokého učení.

TERMOCHEMICKY ŘÍZENÁ KONVEKCE A DYNAMA PRACUJÍCÍ PŘI NÍZKÝCH ČÍSLECH EKMANA

Výzva: 21. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: RNDr. Ján Šimkanin, PhD.

Instituce: Geofyzikální ústav Akademie věd České republiky
Oblast: Vědy o Zemi

Zemské magnetické pole je jedním z nejproměnlivějších geofyzikálních polí. Poskytuje nám účinnou ochranu před slunečními erupcemi a je užitečným nástrojem pro navigaci nejen pro nás, lidi, ale také pro zvířata. Zemské magnetické pole je generováno konvektivními pohyby elektricky vodivé taveniny ve vnějším jádru Země a proniká na povrch Země, kde jej pozorujeme jako velkoškálové dipólové pole. Tyto generační procesy se v krátkosti nazývají Geodynamo. Nemáme však žádné přímé informace o magnetickém poli v zemském jádru, z tohoto důvodu modelujeme magnetohydrodynamické procesy ve vnějším jádru Země numericky. Numerické modely Geodynama produkují magnetická pole, která jsou blízká pozorovanému geomagnetickému poli. Jsme také schopni reprodukovat jeho časové změny, ať už krátkodobé nebo dlouhodobé (tzv. sekulární variace). V našich modelech však nemůžeme použít parametry typické pro zemské jádro z výpočetních důvodů - zatím není na světě žádný superpočítač, který by dokázal vyřešit model Geodyna s takovýma hodnotami. Postupně se však k těmto hodnotám přibližujeme a jedním z přiblížení je také modelování termochemické konvekce a termochemicky poháněného hydromagnetického dynama při nízké viskozitě kapaliny.

Počítačové modelování rychlých iontových drah v tokamakových plazmatech

Výzva: 19. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Dr. Fabien Jaulmes

Instituce: Ústav fyziky plazmatu AV ČR
Oblast: Vědy o Zemi

Technologie jaderné fúze by nám v budoucnu mohla pomoci vyrábět energii tak, aniž bychom do atmosféry vypouštěli velké množství skleníkových plynů nebo aniž bychom za sebou zanechávali radioaktivní odpad s dlouhou životností. Mezi všemi možnými přístupy k fúzi se jeví jako nejslibnější tokamak. Koncept zahrnuje použití magnetických polí k omezení plazmy, která je natolik horká, že udrží fúzi uvnitř plazmy. V rámci mezinárodního projektu pod názvem ITER se v jižní Francii staví nový tokamak. Pokud bude toto zařízení úspěšné, bude prvním svého druhu, jež bude vyrábět čistou energii. COMPASS je malý tokamak nacházející se v Praze. Ten umožňuje vědecké zkoumání různých fyzikálních otázek souvisejících s provozem budoucího projektu ITER. Fabien Jaulmes a jeho tým získal více než 1,7 milionů jádrohodin výpočetního času na projekt, ve kterém se zaměří na studium a modelaci chování částic v úzkopásmovém zobrazení, což může mít dopad na budoucí návrh systému a jeho integraci do COMPASSu, jakož i na plánovanou modernizaci stroje v roce 2022. Předmětem tohoto výzkumu je přinést lepší vědecké porozumění tokamakových jaderných elektráren a levnější a udržitelnější způsob výroby elektřiny ve velkém měřítku. Tato studie má za cíl optimalizovat topné systémy a může mít obrovský dopad na náklady a údržbu budoucích demonstračních reaktorů elektrárny. 

Parametry modelů seismického zdroje budícícho realisitické pohyby půdy

Výzva: 19. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Mgr. Ľubica Valentová, Ph.D

Instituce: Matematicko-fyzikální fakulta, Univerzita Karlova
Oblast: Vědy o Zemi

Seismologický tým z Katedry geofyziky MFF UK se v projektu s výpočetní kapacitou 481 tisíc jádrohodin zaměří na studium parametrů modelů zdroje zemětřesení, které ovlivňují proces šíření trhliny na zlomu. Na základě náhodného vzorkování vytvoří velký počet simulací šíření trhliny (až několik desítek tisíc). Avšak ne všechna taková syntetická “zemětřesení” odpovídají skutečným jevům. Ze všech simulovaných jevů se proto statisticky vyberou ty, které vykazují shodu s pozorováními skutečných zemětřesení, tj. s empirickým modelem silných pohybů půdy. Výsledkem bude rozsáhlá databáze scénářů zemětřesení (několik tisíc) s různým magnitudem a různou složitostí šíření trhliny. Tyto jevy vychází z předepsaných fyzikálních zákonů pro procesy na zlomu a zároveň budí realistické pohyby půdy. Díky obsáhlosti této syntetické databáze a její nezatíženosti chybami pozorování se v další analýze porovnají charakteristiky jako doba trvání, velikost trhliny, pokles napětí a energetická bilance s jejich protějšky určenými ze skutečných jevů. V tomto projektu bude klíčové studium získaných parametrů zákona tření (jejich rozptylu a případných korelací), které nelze přímo změřit v případě reálných jevů a které mají významný vliv na výsledné pohyby půdy. Studium seismického zdroje pomocí numerických simulací tak může být prospěšné i pro vyhodnocování účinků zemětřesení a seismického ohrožení.

SIMULACE SONDOVÝCH DIAGNOSTIK PRO TOKAMAK COMPASS-UPGRADE

Výzva: 18. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Mgr. Aleš Podolník, Ph.D.

Instituce: Ústav fyziky plazmatu AV ČR
Oblast: Vědy o Zemi

Více než 1 milion jádrohodin využije Aleš Podolník k simulaci sondové diagnostiky tokamaku COMPASS-U, právě navrhovaného a konstruovaného zařízení pro výzkum jaderné fúze na světové úrovni. Toto zařízení umožní udržení plazmatu v podmínkách blízkých těm v budoucích fúzních reaktorech ITER a DEMO. Jednou z plánovaných oblastí výzkumu je také návrh vnitřních komponent přicházejících do styku s plazmatem, který vyžaduje komplexní diagnostické vybavení. To bude využívat jak stávající, tak i nově vyvíjené diagnostické systémy reflektující unikátní vlastnosti plazmatu v tokamaku COMPASS-U. Jednou z takových diagnostik jsou Langmuirovy sondy, které při správném návrhu umožňují měřit teplotu a hustotu elektronů nezbytnou pro výpočet tepelného namáhání vnitřních komponent. Návrh i využití sond pro měření v tokamaku s extrémními parametry plazmatu však vyžaduje značné úsilí. Cílem výzkumu Aleše Podolníka a Michaela Komma je simulace sond, které budou přizpůsobeny různým variantám a tvarovým možnostem vnitřních komponent v tokamaku, jež budou v přímém styku s plazmatem. Z předešlých výzkumů vyplývá, že správný návrh sondy je důležitý nejen z provozního hlediska, například pro zamezení roztavení sondy pod extrémním tokem energie z plazmatu, ale především pro maximální korektnost a přesnost získaných fyzikálních dat.

ELEKTRIFIKACE BOUŘEK – SIMULACE VYBRANÝCH UDÁLOSTÍ

Výzva: 17. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: doc. RNDr. Zbyněk Sokol, CSc.

Instituce: Ústav fyziky atmosféry AV ČR
Oblast: Vědy o Zemi

Více než 1 milión jádrohodin pro simulaci a studium elektrifikace bouřek získal Zbyněk Sokol z Ústavu fyziky atmosféry AV ČR. Bouřky patří mezi nebezpečné povětrnostní jevy, které jsou doprovázeny silnými poryvy větru, krupobitím či vysokou bleskovou aktivitou. Přestože mohou způsobovat výrazné socioekonomické ztráty spojené nejen s hmotnými škodami ale i oběťmi na životech, nebyly dosud plně popsány a pochopeny, a z tohoto důvodu je jejich předpověď velmi obtížná. Jedním z nejasných procesů probíhajících během bouřek je právě proces elektrifikace. Zbyněk Sokol bude s kolegyní Janou Minářovou pomocí superpočítače simulovat proces elektrifikace během konvektivních bouřek, které byly pozorovány na území České republiky v letech 2018 a 2019. Simulace budou probíhat pomocí modelu Cloud Electrification Model (CEM), jež byl implementován do numerického modelu předpovědi počasí COSMO, označeném jako CEM-COSMO. Podle autorů projektu se bude jednat o první projekt, který bude studovat a explicitně simulovat elektrifikaci bouřek v oblasti střední Evropy. Výsledky projektu mohou přispět k rozšíření znalostí o jevech souvisejících s bouřkami, jako jsou elektrifikace a blesková aktivita, a dále k přesnějšímu modelování předpovědi počasí.

VALIDACE MODELU PALM-4U S POZOROVACÍ KAMPANÍ V PRAZE-DEJVÍCÍCH

Výzva: 15. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Mgr. Ondřej Vlček

Instituce: Český hydrometeorologický ústav
Oblast: Vědy o Zemi

PALM-4U (www.palm4u.org) je mikroměřítkový model, který umožňuje provádět detailní simulace meteorologických podmínek a kvality ovzduší v městských oblastech v rozlišení jednotek metrů. S jeho pomocí je snadnější modelovat stále častější extrémně vysoké teploty v sídelních aglomeracích (efekt tepelného ostrova města) a následné zvýšené znečištění ovzduší. Kromě toho umožňuje model komplexní hodnocení dopadů urbanistických scénářů na mikroklima i kvalitu ovzduší. Cílem projektu Ondřeje Vlčka z ČHMÚ a jeho kolegů z Univerzity Karlovy a Akademie věd ČR je provést podrobnou validaci nejnovějšího modelu PALM-4U v podmínkách Prahy s využitím poznatků z pozorovacích kampaní v Praze-Dejvicích. Ty zajistili odborníci z ČHMÚ ve dvou čtrnáctidenních cyklech v létě a v zimě roku 2018, během kterých kromě meteorologických podmínek a kvality ovzduší v uličních kaňonech měřili i teploty povrchů budov infračervenou kamerou a tepelné toky fasádami. K dispozici budou mít i data z meteorologických stanic v Praze. Na validaci modelu spolupracují s partnery z německého projektu MOSAIK (Plánování měst založené na modelu a jeho využití v oblasti změny klimatu) a získali na ni více než 1 milion jádrohodin v naší 15. veřejné grantové soutěži.

KONVEKCE A KLIMATICKÉ SIMULACE

Výzva: 14. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Mgr. Michal Belda, Ph.D.

Instituce: Univerzita Karlova
Oblast: Vědy o Zemi

Důležitým nástrojem pro posouzení klimatických změn jsou globální i regionální klimatické modely, které však mají stále relativně nízké rozlišení a možnost jejich využití pro lokální aplikace je proto omezená. Nízké rozlišení většiny modelů neumožňuje implicitní posouzení jevů, jako jsou vzestupné pohyby (konvekce) a s nimi spojené intenzivní srážky. Tyto jevy je třeba v modelech reprezentovat parametrizacemi. Od roku 2016 spolupracují vědci z téměř 30 institucí z celé Evropy na pilotní studii schválené poradním týmem World Climate Research Programme (WCRP), která využívá pro vytváření klimatických scénářů regionální modely v nehydrostatickém režimu ve vysokém rozlišení (3 km a méně), u nichž je předpoklad implicitního zahrnutí mechanismů konvekce. V budoucnu tak budeme mít mnohem podrobnější scénáře dopadů klimatických změn na regionální a lokální úrovni. Michal Belda z Univerzity Karlovy, který je do pilotní studie WCRP zapojen, získal v naší 14. veřejné grantové soutěži 1 milion jádrohodin na simulace dlouhodobého klimatu v minulosti, jež budou sloužit jako základ pro posouzení budoucích klimatických scénářů. Belda se zaměří na alpský region i Českou republiku.

PARETRAN2 (PARALELIZOVANÝ REAKČNĚ-TRANSPORTNÍ MODEL ŠÍŘENÍ KONTAMINACE V PODZEMNÍCH VODÁCH 2)

Výzva: 13. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Ing. Michal Podhorányi, Ph.D

Instituce: IT4Innovations
Oblast: Vědy o Zemi

Radioaktivní odpady (RAO) vydávají nebezpečné záření i po desítky tisíc let. Proto musí být izolovány od životního prostředí na dlouhou dobu, dokud se nepřemění na látky stabilní. V České republice jsou RAO bezpečně ukládány do tří úložišť radioaktivních odpadů. Za celosvětově nejúčinnější a nejbezpečnější cestu ke zneškodnění těchto látek se však považuje hlubinné úložiště ve stabilním geologickém prostředí, kde nehrozí například zemětřesení a záplavy. V ČR zodpovídá za projekt hlubinného úložiště Správa úložišť radioaktivních odpadů, která počítá s jeho zahájením v roce 2065. V současné době identifikuje potenciálně vhodné lokality a finální lokalita by měla být vybrána v roce 2025. Naši kolegové Michal Podhorányi a Lukáš Vojáček spolupracují od roku 2017 s Masarykovou univerzitou a společností DHI na projektu Paralelizovaný reakčně-transportní model šíření kontaminace v podzemních vodách (PaReTran) podpořeném Technologickou agenturou České republiky (TH02030840). Cílem PaReTranu je zlepšit možnosti analýzy potenciálního rizika kontaminace životního prostředí v důsledku dlouhodobého šíření radioaktivních látek z hlubinného úložiště radioaktivních odpadů okolním horninovým prostředím. Simulace pomocí reakčně-transportních modelů (FEFLOW) jsou výpočetně náročné a jejich paralelizace pro nasazení na systémy HPC umožní urychlení simulací. Výpočetní čas získaný v naší 13. veřejné grantové soutěži vědci využijí pro vývoj programu TRM. Zaměří se na testování a měření škálovatelnosti paralelizace programu s využitím volně dostupných knihoven PhreeqcRM pro simulace geochemických procesů.