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Dec 06, 2023

Gemelos digitales: ¿un trampolín para lograr la sostenibilidad de los océanos?

npj Ocean Sustainability volumen 2, Número de artículo: 16 (2023) Cite este artículo 844 Accesos 9 Detalles de Altmetric Metrics Los gemelos digitales, una tecnología informática incipiente pero potente, pueden

npj Ocean Sustainability volumen 2, número de artículo: 16 (2023) Citar este artículo

844 Accesos

9 altmétrica

Detalles de métricas

Los gemelos digitales, una tecnología informática incipiente pero potente, pueden promover sustancialmente la gestión sostenible de los océanos mitigando la sobrepesca y la degradación del hábitat, modelando y previniendo la contaminación marina y apoyando la adaptación climática mediante la evaluación segura de alternativas de geoingeniería marina. Al mismo tiempo, los gemelos digitales pueden facilitar la planificación espacial marina multipartita. Sin embargo, el potencial de esta tecnología emergente para tales fines está poco explorado y aún no se ha realizado, con solo un proyecto notable titulado Gemelos digitales europeos del océano. Aquí consideramos la promesa de los gemelos digitales para la sostenibilidad de los océanos en cuatro áreas temáticas. Además, enfatizamos las barreras de implementación, es decir, la disponibilidad y calidad de los datos, la compatibilidad y el costo. En cuanto a la disponibilidad de datos oceánicos, observamos los problemas de cobertura espacial, cobertura de profundidad, resolución temporal y un intercambio limitado de datos, respaldados, entre otros factores, por un conocimiento insuficiente de los procesos marinos. Inspirados por las perspectivas de los gemelos digitales e informados por las dificultades inminentes, proponemos mejorar la disponibilidad y la calidad de los datos sobre los océanos, tomar medidas para garantizar la estandarización de los datos y priorizar la implementación en áreas de alto valor de conservación siguiendo el ' enfoque de empresa anidada.

Los océanos y los servicios ecosistémicos que proporcionan son fundamentales para la vida humana. Proporcionan medios de vida a entre el 10% y el 12% de la población mundial1 y sustentan a tres mil millones de personas con proteínas provenientes de productos del mar2,3. Regulan el clima de la Tierra absorbiendo ~30% del dióxido de carbono producido por las actividades humanas4, y sirven de hogar a una diversa gama de flora y fauna5, con aproximadamente 230.000 especies marinas descritas hasta la fecha6.

Sin embargo, los seres humanos están degradando, desestabilizando y debilitando persistentemente los ecosistemas oceánicos7,8. Los ambientes marinos están contaminados con desechos, productos químicos, derrames de petróleo, organismos invasivos y partículas. Actualmente hay 5,25 billones de piezas de plástico en los océanos del mundo, con un crecimiento de 8 millones de toneladas al año9. La consiguiente destrucción de hábitats marinos, como los arrecifes de coral y los manglares, tiene graves consecuencias para las plantas y animales que sustentan10,11. De hecho, el 10% de los arrecifes de coral del mundo, que albergan el 25% de las especies marinas, han sido destruidos y otro 60% está en riesgo. La sobrepesca, que representa aproximadamente el 23 % de la producción mundial de productos del mar12, y el cambio climático, que exacerba la acidificación de los océanos y las anomalías en los patrones de circulación, están amenazando aún más la vida marina13,14.

Como respuesta, se han propuesto tecnologías informáticas emergentes para mejorar la sostenibilidad de los océanos. Sensores y sistemas de seguimiento ya están recopilando grandes cantidades de datos sobre las propiedades oceánicas. Por ejemplo, la Iniciativa de Observatorios Oceánicos utiliza perfiladores de corriente Doppler acústicos, sensores de conductividad, temperatura y profundidad, fluorómetros y sensores de turbidez para proporcionar mediciones continuas y de alta resolución de las propiedades físicas, bioquímicas y geológicas del Océano Pacífico nororiental, el centro y el sur de California. Sistemas actuales y placa de Juan de Fuca15. Estos datos informan la planificación oceánica hacia una mejor gobernanza. La misión del satélite Sentinel de la Agencia Espacial Europea proporciona datos sobre una variedad de parámetros, incluida la temperatura de la superficie del mar, el color del océano y la capa de hielo marino16. Los flotadores robóticos Argo (Array for Real-time Geostrophic Oceanography), que se desplazan a profundidades de 1 a 2 km, registran el oxígeno disuelto y el nitrato, y los niveles de radiación solar entrante para mejorar nuestra comprensión de la absorción de CO2 del océano y los impactos del cambio climático17. Junto con el software de Sistemas de Información Geográfica (SIG), estas tecnologías ayudan a identificar áreas de valor de conservación. Por ejemplo, el Índice de Salud de los Océanos18, una herramienta basada en SIG, se utiliza para evaluar la salud de los océanos, desde la escala global hasta la local, y reconocer áreas que necesitan protección.

Sin embargo, las tendencias de la sobrepesca y la contaminación marina persisten, con el riesgo de llevar a más de la mitad de las especies marinas del mundo al borde de la extinción para finales de siglo. Estos riesgos han instado a las Naciones Unidas a declarar un estado de emergencia oceánica y han provocado un llamado a ampliar la acción oceánica basada en la ciencia, la tecnología y la innovación19.

En este contexto, en esta Perspectiva examinamos si los gemelos digitales (DT), una tecnología informática innovadora y avanzada, construida sobre plataformas de hardware y software previamente implementadas, pueden proporcionar un trampolín para lograr la sostenibilidad de los océanos. Al sopesar la promesa de los DT y su presunta potencia para promover la sostenibilidad de los océanos en cuatro áreas temáticas (ver Fig. 1), procedemos a enfatizar las barreras que pueden obstaculizar su implementación. Prestamos especial atención a las limitaciones de disponibilidad y calidad de los datos, respaldadas por lagunas científicas en la oceanografía física y bioquímica. Finalmente, destacamos varias medidas para aliviar estas barreras.

Ejemplos de beneficios de los gemelos digitales para la sostenibilidad de los océanos en cuatro áreas temáticas: reducir y prevenir la sobrepesca, predecir la contaminación marina, adaptarse al cambio climático y promover la planificación espacial marina.

Los DT son representaciones virtuales de entidades vivas y no vivas, y de los sistemas en los que dichas entidades están integradas. Gracias a los avances en las capacidades informáticas, los DT existen como modelos simulados por computadora. El despliegue de sensores que detectan propiedades bioquímicas y físicas de entidades en tiempo real garantiza que las contrapartes digitales de estas entidades medidas sean precisas y "en vivo"20. En estos sistemas ciberfísicos acoplados, los cambios que ocurren en los objetos "físicos" del mundo real (por ejemplo, los componentes bióticos y abióticos de los estuarios, los arrecifes de coral o las profundidades marinas) están modificando sus réplicas virtuales, o "gemelos", simultáneamente. y continuamente21.

Inicialmente implementados en ingeniería de productos y procesos22,23,24,25, en los últimos años los DT se han utilizado fuera de sus dominios de origen para modelar y simular sistemas multicomponentes altamente dinámicos, incluidos los ecosistemas y la atmósfera26,27, y se han propuesto para promover la sostenibilidad en términos generales28.

Si se integran con inteligencia artificial (IA) y técnicas de modelado avanzadas, es decir, agentes autónomos, los DT pueden ser interrogados continuamente sobre comportamientos óptimos del sistema para apoyar a los tomadores de decisiones. Los agentes autónomos integrados en sistemas de réplica virtual utilizarían el estado actual de un sistema como entrada, simularían numerosas secuencias de control para determinar cuál se alinea mejor con el objetivo de control (por ejemplo, prevenir la sobrepesca), predecirían secuencias de acción futuras que optimicen el comportamiento del sistema y asesorarían a las partes interesadas. supervisar e intervenir en el sistema de la "vida real", por ejemplo, una pesquería29. La combinación de DT con agentes autónomos tendrá profundas implicaciones para la gestión marina, ofreciendo posibles soluciones a los problemas de sobrepesca y contaminación.

Sin embargo, a pesar del creciente potencial transdisciplinario de los DT, han recibido poca atención en los debates científicos y tecnológicos sobre la sostenibilidad de los océanos y, en consecuencia, su potencial ha seguido infrautilizado, con solo un proyecto notable y prospectivo titulado el Gemelo Digital Europeo del Océano. (DTO). Al carecer de financiación suficiente, la DTO europea es también, naturalmente, una iniciativa eurocéntrica, con presupuestos de desarrollo científico y técnico asegurados en los mecanismos de financiación de Horizonte Europa que limitan su potencial transformador (ver Recuadro 1).

A este respecto, se justifica una descripción integral y equilibrada de las DT, incluida una cuenta que anticipe y evalúe las limitaciones de diseño y despliegue de las DT, para garantizar que la tecnología reciba el tratamiento adecuado y realice su potencial transformador para la gestión sostenible de los océanos. Para apreciar estas perspectivas, reconocemos aplicaciones potenciales de DT en cuatro áreas temáticas: (a) reducir y prevenir la sobrepesca, (b) modelar y predecir la contaminación marina, (c) adaptarse al cambio climático y (d) planificación espacial marina (ver Figura 1).

El Gemelo Digital Europeo del Océano (DTO) tiene como objetivo crear una réplica digital integral de todo el entorno marino mundial. Anunciada en 2022 y supervisada por la Comisión Europea, se espera que la DTO proporcione representaciones consistentes, en tiempo real, de alta resolución y multidimensionales de los componentes del océano, naturales y artificiales, incluidas las propiedades físicas y bioquímicas. Además, promete proporcionar predicciones de la dinámica oceánica futura92. Se asignan aproximadamente 10 millones de euros al año para desarrollar el modelo central de DTO. A través de Horizonte Europa se canalizan inversiones adicionales en recopilación y conservación de datos en tiempo real, modelos científicos y desarrollo de un entorno virtual armonizado único. El proyecto EDITO-Infra se basa en las infraestructuras de datos existentes en la UE, incluido el Servicio Marino Copernicus, los servicios de acceso a datos e información de Copernicus y la Red Europea de Datos y Observación Marina. El proyecto EDITO-Model Lab desarrolla los modelos subyacentes para el DT. Los proyectos Iliad ponen a prueba gemelos digitales locales con el objetivo de crear eventualmente una réplica virtual unificada. AquaINFRA está desarrollando la infraestructura digital para ayudar a los científicos y partes interesadas marinas y de agua dulce a contribuir con conocimientos que se incorporarán a la DTO. Blue-Cloud reúne redes y activos de datos marinos europeos para ofrecer un entorno virtual colaborativo. Estos proyectos han recibido una financiación de unos 45 millones de euros. Se han concedido más subvenciones Horizon para actividades relacionadas, como la “Integración de datos de seguimiento de la biodiversidad en el Digital Twin Ocean”. Otras subvenciones están aceptando presentaciones de proyectos, incluido el de “Integración de modelos socioecológicos en el Océano Gemelo Digital”93.

Como era de esperar, la DTO europea y las actividades relacionadas con Horizonte Europa son un esfuerzo eurocéntrico. La misión de Horizonte Europa es apoyar la excelencia científica de la UE, las prioridades políticas de la UE y la adopción de la innovación y el empleo en Europa94. Actualmente, casi todos los socios involucrados en la DTO son de países europeos, con una escasa representación de Israel, Marruecos y Túnez. La DTO se basará en la infraestructura digital europea, conjuntos de datos europeos (por ejemplo, Blue Cloud) y plataformas e investigaciones financiadas por Horizonte Europa. Esto hace que el esfuerzo sea limitado en al menos cuatro aspectos. En primer lugar, los procesos de solicitud de subvenciones pueden ser complejos y llevar mucho tiempo, lo que podría disuadir a los investigadores de presentar su solicitud. En segundo lugar, a pesar de los esfuerzos por promover la diversidad y la inclusión en Horizonte Europa, todavía existe el riesgo de que ciertas regiones estén subrepresentadas en el programa, lo que podría limitar la diversidad de perspectivas y enfoques de la investigación y la innovación. En tercer lugar, la naturaleza competitiva del proceso de solicitud de subvenciones de Horizonte Europa podría crear una situación en la que sólo las organizaciones e investigadores con mejores recursos puedan obtener financiación, dejando en desventaja a los grupos más pequeños o menos establecidos. Por último, una DTO centrada en la UE no está orientada a promover la sostenibilidad de los océanos en los países subdesarrollados, donde entran más contaminantes al océano43 y la pesca INDNR se produce con mayor frecuencia95.

Décadas de sobrepesca han resultado en la disminución de las poblaciones de peces, como el bacalao de los Grandes Bancos, y la degradación de las redes alimentarias marinas. El calentamiento global exacerba esta preocupación al reducir la productividad pesquera30. En este contexto, se podrían desarrollar "pesquerías virtuales" in silico para permitir una gestión más efectiva de las poblaciones de peces y monitorear en tiempo casi real las poblaciones de peces y las operaciones de pesca. Los agentes autónomos que se integran en estas "pesquerías virtuales" podrían predecir la abundancia de especies a lo largo del tiempo y asesorar sobre el tamaño y el momento óptimos de la captura, manteniendo así el rendimiento sostenible y protegiendo hábitats marinos cruciales, como los puntos críticos de desove y cría.

En la misma línea, el entorno computacional de un DT podría ayudar a diferentes partes a aumentar la transparencia en tiempo real de las operaciones de pesca, garantizando que las pesquerías se capturen a un ritmo sostenible o utilizando métodos de pesca responsables. Las aplicaciones anteriores de IA, fuera de una DT, han demostrado ser exitosas con este fin. Por ejemplo, Sainsbury colaboró ​​con Oceanmind para rastrear los buques pesqueros con el fin de verificar que el atún se captura sin el uso de dispositivos de agregación de pescado31. Dicho seguimiento podrá realizarse de forma autónoma y continua, y para un mayor número de especies, una vez que se implemente un DT para las pesquerías. Proporcionó estadísticas de captura confiables, o aproximaciones bastante cercanas: a través de asociaciones público-privadas, los DT podrían simular diferentes regímenes de captura y ayudar a los administradores y partes interesadas a asignar cuotas de pesca.

Además, los DT pueden utilizarse para monitorear y combatir activamente las prácticas de pesca ilegal, no reglamentada y no declarada (INDNR) que son responsables de hasta el 20% de las capturas de peces en todo el mundo32. Se podrían utilizar diferentes fuentes de datos y análisis para mapear la ubicación de los barcos y detectar actividades INDNR. Estos datos se pueden mostrar en tiempo real a las partes interesadas locales y permitir una aplicación precisa en áreas marinas protegidas (AMP) o zonas económicas exclusivas (ZEE). Por ejemplo, Global Fishing Watch (GFW) utiliza múltiples flujos de datos para rastrear embarcaciones, incluido el sistema de identificación automática (AIS), una plataforma de seguimiento que utiliza transceptores en los barcos, y datos del sistema de seguimiento de embarcaciones (VMS), que los buques transmiten, así como como tecnología de teledetección, incluido el conjunto de radiómetros de imágenes infrarrojas visibles, el radar de apertura sintética y las imágenes ópticas33. La integración de estas fuentes de datos en un sistema de réplica virtual "en vivo", con agentes autónomos, podría permitir el seguimiento de los buques e identificar la actividad de pesca INDNR34. Además, los agentes autónomos pueden analizar los datos de Global Fishing Watch, detectar patrones y proporcionar predicciones espacio-temporales de la actividad INDNR para mejorar la aplicación de la ley a nivel local35, de la misma manera que se ha promocionado la IA para predecir la delincuencia en las ciudades36. De hecho, los algoritmos de IA se entrenaron con datos del sistema de identificación automática y datos del estado del océano, como la TSM y la clorofila, para predecir la actividad ilegal de los barcos pesqueros chinos en la ZEE de Argentina32.

Junto con la sobrepesca, la contaminación marina se ha convertido en una emergencia global en las últimas décadas y un sello distintivo del “Antropoceno”. Una gran cantidad de sustancias tóxicas generadas por las actividades humanas se introducen cada vez más en los entornos marinos con el riesgo de deteriorarlas permanentemente37. Los desechos plásticos en océanos, costas y estuarios han ganado cierta importancia a este respecto38, pero los plásticos son simplemente un contaminante en una larga lista de elementos y compuestos químicos, incluidos cientos de pesticidas, antiincrustantes, productos farmacéuticos y metales pesados39.

Este riesgo se agrava a medida que los contaminantes surgen de diversas fuentes, como actividades industriales terrestres, embarcaciones, exploración y extracción de minerales en el mar y aportes fluviales39. Aproximadamente el 80% de los contaminantes se originan tierra adentro y se denominan contaminación de fuentes difusas (NSP), incluidas numerosas fuentes independientes, como fosas sépticas, automóviles, granjas, ranchos y áreas forestales40. Esto hace que la contaminación costera sea una prioridad de seguimiento junto con las industrias basadas en los océanos, concretamente las operaciones de petróleo y gas que han sido responsables de algunos de los eventos de contaminación más conocidos, incluido el derrame de petróleo del Exxon Valdez en 198941 y el derrame de petróleo de Deepwater Horizon en 201042. .

En este caso, los DT pueden resultar particularmente útiles para prevenir la contaminación costera. Los DT pueden integrar entradas de datos multimodales, incluso procedentes de sensores cercanos y remotos, para monitorear la escorrentía de NSP de comunidades y ciudades costeras, así como de plantas industriales y de tratamiento de aguas residuales y sistemas de drenaje. Los agentes autónomos podrían utilizar los datos de los DT para su capacitación y luego sugerir políticas que recomienden una mejor gestión de los flujos de desechos para minimizar la descarga de desechos o aguas residuales a los océanos43. Si se combinan con modelos de aprendizaje automático (ML) de última generación que reconocen marcas de fragmentos de escombros basándose en el análisis de imágenes, los DT pueden mejorar aún más las políticas de quien contamina paga y respaldar marcos como la Responsabilidad Ampliada del Productor de la UE. En este sentido, el proyecto PlasticNet de IBM promete implementar ML para la identificación de tipos de basura44 y en el futuro podría integrarse en una réplica virtual más grande. Con base en dichos datos, los DT pueden emitir alertas sobre efluentes tóxicos y plásticos, y su inminente proximidad a especies y arrecifes de coral de aguas poco profundas45.

Para prevenir la contaminación causada por las operaciones de petróleo y gas, los DT pueden respaldar el mantenimiento predictivo de grandes sistemas de ingeniería, de la misma manera que se han utilizado en otros ámbitos, incluida la infraestructura de agua y electricidad46. Por ejemplo, las 'plataformas autoelevables virtuales' o las 'plataformas semisumergibles virtuales' podrían sincronizarse con sensores submarinos del Internet de las cosas (IoT)47 conectados a las piezas de la plataforma y emitir una alerta cuando un componente esté a punto de fallar. Songa Offshore, una empresa de perforación, ya ha conectado cientos de sensores de IoT a plataformas en el Atlántico Norte48 para tal fin. Del mismo modo, los DT podrían utilizarse para simular los efectos de fenómenos meteorológicos extremos en la infraestructura de petróleo y gas costa afuera, un riesgo cuya probabilidad es cada vez mayor49.

En caso de un derrame de petróleo, y junto con los modelos de transporte de petróleo (que tienen en cuenta las corrientes de marea, la circulación baroclínica y los pronósticos de vientos locales, por ejemplo50), los DT pueden proporcionar una plataforma casi en tiempo real para interrogar posibles movimientos y propagación de la marea negra. y ejecutar simulaciones hipotéticas para probar e identificar opciones óptimas de tratamiento y contención 51. Los DT, que ya han demostrado ser una plataforma que facilita las colaboraciones entre múltiples partes28, podrían ayudar aún más en la coordinación entre diferentes unidades de respuesta de campo.

Además, los DT pueden promover la investigación y la regulación de la contaminación acústica submarina que se considera perjudicial para las especies marinas que dependen de los sentidos acústicos para su orientación y comunicación52.

En este ámbito de la contaminación cada vez más reconocido53, los DT armonizarían y visualizarían datos de sensores sobre los ruidos emitidos por los barcos y estudios sísmicos con datos sobre la distribución de especies, como los de SPACEWHALE para las ballenas54. A partir de estos datos, los agentes autónomos podrían asesorar sobre el rumbo óptimo para minimizar las perturbaciones acústicas, apoyando así nuevos marcos regulatorios como los nuevos límites de la UE a la contaminación acústica.

Las implicaciones del cambio climático para la integridad de los ecosistemas marinos son un área intensamente investigada55, que abarca estudios sobre los cambios en la temperatura del océano, la circulación, la estratificación, el aporte de nutrientes, el contenido de oxígeno, la acidificación y la abundancia y distribución de las especies oceánicas, realizados por diversos organismos e instituciones.

Un área de investigación controvertida donde las DT podrían resultar particularmente útiles es la geoingeniería marina. La geoingeniería marina, que implica manipulaciones de procesos y hábitats naturales para contrarrestar el cambio climático antropogénico y sus impactos, también tiene el potencial de tener efectos nocivos56,57. La fertilización con hierro para ayudar al crecimiento de los productores primarios, la surgencia artificial para reducir la temperatura de la superficie del mar y el cultivo de algas y la alcalinización para absorber carbono son algunas de las ideas en el campo. Estos métodos generan controversia, ya que no se sabe lo suficiente sobre sus consecuencias y las técnicas tendrían que aplicarse a una escala extremadamente grande para ser efectivas58. Aquí, los 'estuarios virtuales', los 'arrecifes de coral virtuales' y los 'bosques de manglares virtuales' podrían habilitar espacios digitales seguros donde las posibles intervenciones de geoingeniería que prometen promover la adaptación al cambio climático pero que pueden resultar en daños no deseados, puedan probarse a una velocidad y escala que de otro modo podría verse inhibida por el principio de precaución.

Los DT son excepcionalmente adecuados para apoyar la planificación espacial marina (PEM). Los DT ya empleados para mejorar el diseño de sistemas sociotécnicos y socioecológicos28 podrían reutilizarse para este fin. Las réplicas virtuales en tiempo real de los entornos marinos permitirían a las partes interesadas públicas y privadas simular varios escenarios de planificación y, con la ayuda de agentes autónomos, determinar qué actividad humana se alinea mejor con la conservación de la biodiversidad (todo in silico) antes de interferir con el sistema físico. De esta manera, el 'multiuso marino', un principio fundamental de la MSP59 (ver Cuadro 2), puede lograrse con compromisos mínimos entre las partes públicas y privadas.

Los proyectos de desarrollo podrían marcar el comienzo de una nueva área de construcción marina que incluya la naturaleza60, por ejemplo, mediante la promoción de parques eólicos marinos y piscifactorías acoplados, al tiempo que se incorporan estructuras de arrecifes artificiales59. Los agentes autónomos analizarían todas las áreas potenciales para dicha infraestructura, teniendo en cuenta las condiciones climáticas, la contaminación acústica, la eutrofización (causada por la descarga de nutrientes de la acuicultura) y el potencial de proliferación de especies invasoras, entre otras variables, antes de recomendar ubicaciones óptimas. Parte superior de la forma

La planificación espacial marina (PEM) es un enfoque integrado para gestionar la interfaz humana-ecológica en entornos marinos. Aborda cuestiones como las analizadas anteriormente, incluida la liberación de toxinas y la sobreexplotación de las pesquerías, pero emplea una perspectiva más amplia para analizar y evaluar numerosas actividades humanas y recursos marinos en escalas espacio-temporales. MSP tiene como objetivo minimizar las compensaciones, compromisos y conflictos entre diferentes usuarios y servicios públicos. Por lo general, las partes interesadas se convocan para desarrollar una comprensión compartida de los servicios de los ecosistemas marinos96 y priorizar áreas para su protección y conservación. Las partes interesadas diseñan un plan espacial que describe qué actividades están permitidas o prohibidas en diferentes áreas del océano, incluidas áreas donde se pueden acomodar usos múltiples97. Los primeros ejemplos notables incluyen el Parque Marino de la Gran Barrera de Coral (que cubre un área de aproximadamente 344.400 km2), creado para proteger el arrecife de la extracción de petróleo y la minería de fosfato en alta mar, y la Plataforma Oriental de Escocia en el noreste de Canadá (que cubre aproximadamente 325.000 km2), y la parte holandesa del Mar del Norte (que cubre 58.000 km2) enfatizando el uso eficiente del espacio, al tiempo que permite a los privados desarrollar diversas iniciativas en la región98.

Idealmente, los DT deberían ofrecer entornos virtuales potentes, en los que se puedan utilizar recursos computacionales; Sensores, procesadores, agentes autónomos y actuadores pueden simular ecosistemas acuáticos en hábitats costeros, desde el litoral hasta la zona nerítica, en la superficie del océano y en océanos abiertos, junto con simulaciones de industrias basadas en el océano, incluidos equipos marítimos y costeros. y puertos (incluidos el transporte marítimo y la pesca), petróleo y gas marinos, energía eólica marina y biotecnología marina.

Sin embargo, configurar este entorno computacional es una tarea gigantesca. En muchos sentidos, no es práctico. En algunos aspectos, puede que no sea necesario. Si, por ejemplo, la gestión de la biodiversidad marina costera es una prioridad institucional, entonces se podrían asignar recursos computacionales para modelar y simular los 66 grandes ecosistemas marinos (GEM) definidos como áreas costeras cercanas comparativamente grandes (que abarcan 200.000 km2 o más) donde se considera la productividad. mayor que en mar abierto, y donde se extrae la mayor parte (aproximadamente el 90%) de la pesca mundial61,62 (aunque los procesos en mar abierto, incluidas las rutas migratorias, no pueden ignorarse por completo). Diseñar DT de alcance limitado para apoyar la conservación, la restauración y la gestión sostenible de zonas acuáticas de alta prioridad, como los GEM, es un esfuerzo más realista. Sin embargo, estos esfuerzos también enfrentarán al menos tres limitaciones técnicas y económicas.

En primer lugar, las representaciones virtuales en vivo sólidas se basan en datos apropiados. Sin embargo, los datos relacionados con los procesos y fenómenos oceánicos fundamentales son parciales y están respaldados por lagunas en el conocimiento científico que abarca los subdominios de la oceanografía física, biológica y química.

Por ejemplo, el estudio de las corrientes y la dinámica costera, cómo interactúan con la atmósfera e impulsan los eventos ENOS (todo ello en el centro de la oceanografía física) es esencial para respaldar DT precisos. Sin embargo, los satélites actuales sólo son capaces de medir corrientes geostróficas de 100 kilómetros o más63. El satélite Surface Water and Ocean Topography (SWOT), lanzado por la NASA y la agencia espacial francesa CNES en diciembre de 2022, promete medir corrientes (mesoescala) de 20 kilómetros o más en el futuro64. Sin embargo, incluso con esta resolución mejorada, los datos sobre las corrientes submesoescala, o corrientes de pequeña escala de hasta 1 kilómetro63, seguirán sin estar disponibles. La Misión de Observación Multiescala de Corrientes Superficiales Oceánicas (OSCOM), preseleccionada en el Programa de Prioridad Estratégica de Ciencia Espacial de China, ofrece observar las corrientes superficiales oceánicas a entre 5 y 10 kilómetros, con una fecha de lanzamiento en 2025. Aún no está claro si finalmente se elegirá esta misión. , ya que hay 13 misiones candidatas y sólo se lanzarán seis65. Si bien es posible inferir las corrientes superficiales del océano a partir de datos de boyas a la deriva o de flotadores Argo, sólo hay 1.500 boyas en todo el mundo, espaciadas entre 400 y 500 kilómetros, y sólo 4.000 flotadores Argo con una baja resolución similar de 200 a 300 kilómetros63, lo que sugiere que estas máquinas no logrará llenar los vacíos de conocimiento y datos esenciales para los DT, lo que hará que estos últimos sean imprecisos.

Representar las profundidades marinas en réplicas virtuales es una cuestión adicional. Generalmente se considera que las profundidades marinas abarcan aguas por debajo de los 200 m, donde la luz comienza a disminuir. En estas profundidades se producen una variedad de procesos oceánicos, incluido el bombeo biológico de carbono y el ciclo de nutrientes66. También sirve como hábitat para una gran cantidad de organismos66. Al mismo tiempo, enfrenta amenazas similares a las de las capas menos profundas del océano, como cambios de temperatura, acidificación y contaminación67. Es imperativa una representación precisa y en vivo de las profundidades del mar para simular diversos procesos oceánicos, como la disponibilidad de nutrientes y el ciclo del carbono oceánico, así como para predecir los efectos de los factores estresantes antropogénicos. No obstante, se reconoce ampliamente que las regiones situadas debajo de la zona epipelágica están poco observadas y poco estudiadas66. Por ejemplo, faltan mediciones de referencia de propiedades esenciales en las profundidades del océano Ártico, y el conocimiento científico de los procesos biogeoquímicos en las profundidades del océano es igualmente parcial68.

Las lagunas en el conocimiento científico también prevalecen en la oceanografía bioquímica. Un estudio de programas de observación biológica a largo plazo reveló que solo se monitorea el 7% de la superficie oceánica global, con una marcada falta de monitoreo en las costas de América del Sur, Europa del Este, Asia, Oceanía y África69. Además, todavía quedan por descubrir hasta dos tercios de las especies marinas70. Estas lagunas en los datos darían lugar a imprecisiones en el modelado y errores algorítmicos71,72. Un análisis de la distribución espacial de unas 35.000 especies marinas indicó que las especies están ausentes cerca del ecuador, lo que los autores atribuyeron a una menor frecuencia de muestreo en las zonas tropicales73. Tal sesgo de muestreo afectaría la precisión de las "pesquerías virtuales" y otros modelos in silico, y su capacidad para fundamentar decisiones, por ejemplo en los procesos de PEM.

Una segunda barrera técnica se refiere a la compatibilidad e interoperabilidad de los datos. Desde hace algún tiempo, múltiples iniciativas han estado intentando asimilar datos en plataformas compartidas, como GOOS (Sistema Global de Observación de los Océanos)74 y EMODNET, que recopila más de 150 organizaciones que brindan información relacionada con el mar75. Sin embargo, estos datos provienen de diferentes fuentes y no necesariamente siguen formatos estandarizados, lo que hace que la armonización y la interoperabilidad de los datos sean un desafío. Los datos de imágenes marinas, por ejemplo, se recopilan mediante diferentes sistemas de cámaras montadas en diversas plataformas, como flotadores Argo, AUV y plataformas de cámaras de amarre. Las imágenes difieren en resolución, iluminación y ángulos de visión, y los metadatos de las imágenes, que pueden incluir la profundidad del agua, el posicionamiento y diferentes propiedades del agua, suelen ser demasiado escasos para cumplir con los principios de interoperabilidad76. Para complicar aún más estas cosas, es posible que ciertos conservadores de datos se vean disuadidos de cumplir con los estándares, si el cumplimiento implica modificar el formato organizacional74. En conjunto, estos factores dificultan la comparación entre conjuntos de datos76 y, en última instancia, limitan la eficacia de los TD como sistema de apoyo a las decisiones.

El costo es un tercer obstáculo persistente. Implementar un gemelo digital de un sistema dinámico multicomponente es una tarea que requiere muchos recursos. A modo de comparación, se estimó que desarrollar una réplica virtual de Singapur costaría 73 millones de dólares77. La DTO central europea tiene un presupuesto de 10 millones de euros (ver Recuadro 1). Mientras que Singapur, un estado insular en el extremo sur de la península malaya, cubre una superficie total de 719 km2, los océanos del mundo cubren una superficie de aproximadamente 361 millones de km2 y contienen un volumen de alrededor de 1.370 millones de km3 de agua. El océano tiene una superficie más de 500.000 veces mayor que Singapur (el volumen es exponencialmente mayor), pero recibe un presupuesto directo siete veces menor para desarrollar una réplica virtual. En todo caso, esta anécdota exige una mayor financiación de los DT oceánicos.

La capa subyacente de adquisición de datos tampoco cuenta con fondos suficientes. Por ejemplo, un flotador Argo cuesta entre 20.000 y 150.000 dólares, con 20.000 dólares adicionales para su despliegue. Con una resolución baja de 300 km, el coste anual actual del proyecto Argo se estima en 40 millones de dólares78. Agregar flotadores para una cobertura de mayor resolución para mejorar los posibles DT multiplicaría estos costos considerablemente.

Los países que podrían ayudar a implementar y mantener equipos esenciales para el seguimiento y la investigación científica pueden cambiar sus prioridades. Por ejemplo, el conjunto Océano Atmósfera Tropical (TAO), una red de boyas que proporciona datos sobre El Niño-Oscilación del Sur desde la década de 1980, crucial para el pronóstico del tiempo, se ha visto socavado por un mantenimiento inadecuado debido a restricciones presupuestarias en Estados Unidos79 y Japón80. . De manera similar, esperamos que muchos países muestren poco interés en subsidiar proyectos para estudiar y simular recursos de uso común, como los océanos. En el contexto de la oceanografía, al programa de Exploración Oceánica de la NOAA, el único programa federal de EE. UU. centrado en la investigación de los océanos profundos, se le asignaron 42 millones de dólares en 2021, menos del 1% del presupuesto anual total de la NOAA81. Los países pueden limitar aún más el acceso científico a las zonas económicas exclusivas, impidiendo la recopilación de datos en regiones marinas cruciales82.

Por su cuenta, los actores privados pueden eliminar varias de estas barreras (las industrias oceánicas gastan unos 3.000 millones de dólares al año en datos marinos), pero la competencia comercial y los intereses en conflicto pueden eclipsar las intenciones de bien común. La ubicación de la flota pesquera y los datos de captura, esenciales para la "pesquería virtual viva", no serán fáciles de compartir. Los operadores de infraestructuras de petróleo y gas temerán que sus datos puedan ser utilizados en su contra como prueba de negligencia83, impidiendo el desarrollo de 'MSP virtuales vivos' y la realización de 'multiusos marinos' que no pongan en riesgo los biomas oceánicos y la biodiversidad.

Más allá de estas limitaciones tecnoeconómicas inmediatas, esperamos que surjan varias preocupaciones e incertidumbres éticas en el desarrollo de DT oceánicos y la representación digital de los servicios de los ecosistemas marinos. De hecho, se han reconocido y analizado cuestiones éticas, incluidas la seguridad, la privacidad, la seguridad de los datos y la inclusión, en el despliegue de tecnologías informáticas avanzadas (incluidas las DT, la inteligencia artificial y la computación ubicua) en sistemas socioecológicos comparables, complejos y con múltiples partes interesadas ( ej., agroecologías, cuencas fluviales)28,84,85,86. Los esfuerzos para desarrollar TD de manera consciente de los riesgos, reflexiva y receptiva deben aprovechar las lecciones aprendidas en estos dominios, así como en la literatura y la práctica más amplias de investigación e innovación responsables87.

La necesidad de conservar y restaurar los ecosistemas oceánicos, dado su papel fundamental en la prestación de servicios ecosistémicos y en el mantenimiento de entornos atmosféricos y terrestres saludables de los que dependen los seres humanos, está ahora firmemente reconocida en las agendas internacionales. Recientemente nos hemos embarcado en la misión del Decenio de las Naciones Unidas de las Ciencias Oceánicas para el Desarrollo Sostenible (2021-2030)5, y la UNESCO se ha comprometido a cartografiar el 80 % del fondo marino para 2030.

Los DT son un instrumento en una caja de herramientas que podría usarse para proporcionar la infraestructura de apoyo, facilitar las asociaciones y generar los datos necesarios para informar las políticas para esta misión. Sin embargo, si bien los TD para la gobernanza de nuestros océanos son al menos tan importantes como los TD de, digamos, la atmósfera, este último ha atraído mayor atención en la literatura y la práctica27. Esto debe rectificarse y superar los impedimentos señalados anteriormente.

Entonces, ¿qué se necesita hacer para lograr DT para la sostenibilidad de los océanos? En primer lugar, se deben cubrir los costos y aumentar la transparencia. La financiación específica de los gobiernos y otras organizaciones no gubernamentales es esencial para desarrollar y mantener gemelos digitales y debería destinarse a este propósito. Además, incentivar el intercambio de datos y el uso de herramientas y plataformas de código abierto puede ayudar a reducir los costos financieros y de tiempo relacionados con la creación y el uso de gemelos digitales, así como apoyar la democratización de los datos oceánicos.

En segundo lugar, es necesario mejorar la calidad y cantidad de los datos. La cobertura y la resolución espacial y temporal podrían aumentarse mediante el despliegue de plataformas de observación innovadoras, como sistemas robóticos autónomos marinos que puedan capturar mediciones en lugares inaccesibles para los barcos88. De manera similar, las nuevas tecnologías de sensores, como el flotador de perfilado de aguas profundas ya desplegado frente a la isla de Luzón, pueden mejorar la profundidad de la columna de agua de las mediciones capturadas89.

En tercer lugar, se debe hacer hincapié en la interoperabilidad de los datos. Las asociaciones industriales y las sociedades profesionales pueden promover el desarrollo de estándares técnicos, protocolos de compatibilidad y mejores prácticas para crear, gestionar y utilizar gemelos digitales, incluida la integración con sistemas existentes. Estos esfuerzos deberían extenderse a la recopilación y conservación de datos, incluida la creación de repositorios y portales estandarizados como el Proyecto Global de Análisis de Datos Oceánicos (GLODAP), el Sistema de Información Biogeográfica Oceánica (OBIS) y el Sistema Integrado de Observación Marina (IMOS). Teniendo en cuenta la gran cantidad de organizaciones involucradas en el estudio del océano, las Infraestructuras de Datos Espaciales Marinos (MSDI) federadas pueden facilitar un esfuerzo de colaboración global para recopilar y conservar datos. Las MSDI federadas son sistemas distribuidos que permiten a diferentes instituciones compartir datos espaciales sin problemas en una única plataforma, manteniendo al mismo tiempo la soberanía y el control de sus datos y adhiriéndose a los principios de datos FAIR (Encontrables, Accesibles, Interoperables, Reutilizables).

En cuarto lugar, se debe priorizar estratégicamente el desarrollo de DT. En este caso, podría resultar útil un enfoque de 'empresas anidadas', para informar el despliegue de entornos computacionales complejos. Adoptado de la literatura sobre recursos de uso común90, particularmente pertinente para la gobernanza de los océanos91, el principio de las 'empresas anidadas' sostiene que los sistemas de gobernanza de recursos compartidos deben escalarse según la urgencia de los problemas que pretenden resolver, permitiendo al mismo tiempo un grado de flexibilidad y sensibilidad al contexto y las circunstancias locales. Al adoptar un enfoque acotado desde abajo, los reguladores, oceanógrafos e informáticos podrían escalar gradualmente, comenzando con DT de biomas y ecosistemas marinos de mayor valor.

En quinto lugar, deben mejorarse las colaboraciones interdisciplinarias. Las comunidades de ciencias, tecnología y políticas oceánicas aún no están lo suficientemente bien organizadas como para promover el uso de DT para informar de manera tangible la gobernanza de los ecosistemas marinos sostenibles. Las iniciativas para fortalecer la colaboración científica, comercial, gubernamental y sin fines de lucro son esenciales para lograr el Decenio de las Naciones Unidas de las Ciencias Oceánicas para el Desarrollo Sostenible. Para facilitar dichas colaboraciones, se puede emplear un enfoque multifacético, muy en línea con el enfoque de "empresas anidadas" analizado anteriormente. Un curso de acción podría contemplar el establecimiento de iniciativas de investigación interdisciplinarias en torno a los grandes ecosistemas marinos (GEM) en riesgo (por ejemplo, GEM expuestos a una contaminación grave) que reunirían a oceanógrafos y biólogos marinos junto con científicos informáticos y analistas de políticas para que sirvieran como centro de investigación. intercambio de conocimientos y resolución de problemas (por ejemplo, armonización de datos). Estas iniciativas pueden ofrecer espacios de trabajo compartidos, seminarios interdisciplinarios y proyectos de investigación conjuntos para fomentar la combinación de conocimientos y perspectivas. Pueden tomar la forma de programas intensivos de investigación de verano comunes en el mundo académico para las disciplinas STEM (ciencia, tecnología, ingeniería y matemáticas). Otro curso de acción podría crear mecanismos de financiación que requieran la colaboración entre diferentes campos para incentivar a los investigadores a asociarse en todas las disciplinas. Por ejemplo, los programas de subvenciones podrían exigir asociaciones entre oceanógrafos e informáticos para abordar desafíos específicos de los ecosistemas marinos en un entorno virtual de DT. De hecho, los DT pueden por sí solos facilitar las colaboraciones y deben establecerse, priorizarse e integrarse claramente en marcos para la gestión de los océanos, como el Tratado de Alta Mar de las Naciones Unidas.

Por último, desarrollar una estrategia integral e intersectorial de participación de las partes interesadas es crucial para todas estas medidas. Hacemos hincapié en al menos cuatro pilares para una participación exitosa de las partes interesadas. Desde el principio, es imperativo identificar y categorizar a las partes interesadas en función de sus intereses, niveles de influencia y experiencia en el dominio, para cada esfuerzo de MSP y en cada marco de gobernanza de LME. Esto implica reconocer a las entidades gubernamentales responsables de dar forma a las políticas oceánicas, a los investigadores marinos a la vanguardia de la exploración científica, a las partes interesadas de la industria que representan sectores como el transporte marítimo, la pesca y las energías renovables, así como a las comunidades locales que dependen directamente de los recursos oceánicos. En segundo lugar, para establecer una base de participación informada, es indispensable una comprensión profunda de las necesidades, preocupaciones y expectativas únicas de cada grupo de partes interesadas. El empleo de métodos como encuestas, entrevistas y grupos focales puede proporcionar información sobre estos aspectos, permitiendo un enfoque personalizado de la participación, antes de que se desarrolle y utilice un DT en los procesos de toma de decisiones. Esta comprensión ayuda a abordar conflictos potenciales, como cuestiones relacionadas con la privacidad de los datos, los derechos de propiedad intelectual y los impactos socioeconómicos. En tercer lugar, un elemento central de la estrategia de participación es la creación de plataformas que faciliten la colaboración y el intercambio de conocimientos entre las partes interesadas. Estas plataformas se destacan más arriba (por ejemplo, GODAP, OBIS, IMOS y MSDI). Cuarto, cuando las partes interesadas participan es necesario subrayar la alineación entre su participación y sus respectivos objetivos. Por último, la viabilidad de la estrategia de participación se sustenta en resultados demostrables. Esto se puede lograr mediante la ejecución de proyectos piloto, consistentes con el enfoque de 'empresas anidadas', que muestren el impacto tangible de la utilización de DT en la sostenibilidad de los océanos. Dichos proyectos de demostración pueden abarcar el monitoreo en tiempo real de los ecosistemas marinos en la interfaz DT, prevenir las actividades INDNR y la contaminación causada por las operaciones de petróleo y gas, y mejorar la transparencia de las operaciones pesqueras para garantizar que las pesquerías se capturen a un ritmo sostenible. Compartir los resultados de las iniciativas piloto fomentaría una comprensión más profunda de los beneficios de las TD para la sostenibilidad de los océanos, catalizando así una adopción más amplia.

Los datos utilizados en este artículo están completamente disponibles en el texto principal y en las fuentes referenciadas.

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Este artículo fue posible gracias al apoyo de una subvención de Templeton World Charity Foundation, Inc. Las opiniones expresadas en esta publicación son las del autor (es) y no reflejan necesariamente los puntos de vista de Templeton World Charity Foundation, Inc. Agradezco al profesor Alex Hearn de la Universidad San Francisco de Quito y al Centro de Ciencias de Galápagos por albergar OH en la USFQ y el Centro de Ciencias de Galápagos y por sus comentarios para mejorar y precisar el manuscrito. Los autores agradecen a la Sra. Kristina Atanasova por el desarrollo gráfico y el diseño de la Fig. 1.

Universidad de Cambridge, Centro para el Estudio del Riesgo Existencial, Cambridge, Reino Unido

Asaf Tzachor y Catherine E. Richards

Universidad Reichman, Escuela de Sostenibilidad, Herzliya, Israel

Asaf Tzachor y Ofir Hendel

Universidad de Cambridge, Departamento de Ingeniería, Cambridge, Reino Unido

Catherine Richards

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AT, OH y CER desarrollaron el artículo conjuntamente y todos contribuyeron por igual a la redacción del texto.

Correspondencia a Asaf Tzachor.

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Tzachor, A., Hendel, O. & Richards, CE Gemelos digitales: ¿un trampolín para lograr la sostenibilidad de los océanos? npj Ocean Sustain 2, 16 (2023). https://doi.org/10.1038/s44183-023-00023-9

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Recibido: 19 de abril de 2023

Aceptado: 12 de septiembre de 2023

Publicado: 09 de octubre de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s44183-023-00023-9

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