VILMA-huippuyksikössä kehitetään tekoälymenetelmiä ilmakehän mallinnukseen
Ilmakehän aerosolien muodostumisen ymmärtäminen on tärkeää, koska hiukkaset auttavat viilentämään ilmastoa, mutta toisaalta lisäävät myös kuolleisuutta huonon ilmanlaadun vuoksi.
Kuva: Mostphotos
Keskeinen ongelma aerosolin muodostumisen ennustamisessa on mukana olevien yhdisteiden, reaktioiden ja prosessien valtava määrä sekä osallistuvien yhdisteiden monimutkaisuus ja prosessien mittaamisen vaikeus. Huippuyksikkö VILMA:ssa pyritään ymmärtämään aerosolien muodostumista rakentamalla virtuaalisten instrumenttien ja mallien kokonaisuus.
VILMA eli Virtuaalinen laboratorio ilmakehän molekyylitason reaktioille ja faasimuutoksille on Suomen Akatemian vuosina 2022-2029 rahoittama tutkimuksen huippuyksikkö. Virtuaalilaboratorio antaa tutkijoille mahdollisuuden käsitellä monia ratkaisemattomia ilmakehätieteen ongelmia, kuten tunnistaa reaktiota, jotka ovat vastuussa orgaanisten nanohiukkasten muodostumisesta ja kasvusta.
Vilmassa yhdistyvät kolme osa-aluetta: Ilmakehän ilmiöiden teoria ja mallinnus, kokeet sekä koneoppiminen ja tekoäly.
”Tässä tekoälyosuudessa pyrimme tekemään fysikaalisia simulaattoreita ja erilaisia tekoäly- ja koneoppimismalleja yhdistäviä digitaalisia kaksosia ilmakehän prosesseista, joita sitten erilaisilla tekoälytyökaluilla pyrimme tutkimaan. Tätä sanomme virtuaaliseksi laboratorioksi”, kertoo apulaisprofessori Kai Puolamäki Helsingin yliopistosta. Puolamäki myös koordinoi FCAI:n Atmospheric AI -ohjelmaa.
Yksi ongelma on, että käytetyt fysikaaliset simulaatiot ovat laskennallisesti raskaita. Ratkaisu tähän on kehittää koneoppimismalleja, jotka pystyvät nopeasti emuloimaan hitaampia fysikaalisia simulaatioita.
Vilmassa siis pilotoidaan uudenlaisia tutkimusmenetelmiä, jotka vaativat vuosien kehittelytyön – valmiita ratkaisuja ei ole, vaan kaikki on kehitettävä itse. Akatemian rahoituksen avulla uusia ideoita voidaan nyt testata ja kehittää yhdessä pitkäjänteisesti.
Puolamäki tekee työtä tulkittavaan tekoälyyn liittyen, kuten miten digitaaliset kaksoset toimivat vai olisiko yksinkertaisempia mutta ehkä tulkittavimpia malleja jotka voisivat kuvata prosesseja.
”Tähän liittyy myös se, että miten voimme rakentaa näitä digitaalisia kaksosia vuorovaikutteisesti ja samalla ymmärtää, miten ne toimivat. Iso asia on myös epävarmuuden hallinta. Voimmeko luottaa tuloksiin, miten voidaan laskea luottamusvälit tuloksille ja käytetäänkö mallia sen pätevyysalueen ulkopuolella. Nämä ovat yllättävän vaikeata ongelmia, varsinkin kun kyseessä ovat monimutkaiset koneoppimismallit”, sanoo Puolamäki.
Kestävyystavoitteiden ja tulevaisuuden tutkijapolvien palvelua
Tutkimus on sekä aiheen että tavoitteiden puolesta kestävyystavoitteiden mukaista, vaikka kestävyyttä ei VILMA:ssa suoraan tutkitakaan.
”On tietysti ymmärrettävää, että tämä on perustutkimusta. Tutkimuksen tulokset liittyvät esimerkiksi ilman laadun mallinnukseen. Teemme kuitenkin menetelmiä, joita voidaan soveltaa myös muilla aloilla tieteellisen tiedon hankkimiseen”, sanoo Puolamäki.
Uusilla menetelmillä voi olla merkittävä vaikutus luonnontieteisiin sekä mittauksiin perustuvaan tieteeseen.
”Ratkaisemme ilmakehätieteiden keskeisiä ongelmia, joissa tarvitaan uusia menetelmiä. Toisaalta tietojenkäsittelyn tutkimuksen kannalta tutkimme miten tekoälymenetelmiä voi soveltaa luonnontieteissä, millä on potentiaalisesti hyvinkin suuri vaikutus siihen, miten tällaista mittauksiin perustuvaa tiedettä tulevaisuudessa tehdään”, sanoo Puolamäki.
Tavoitteena on, että ilmakehää ja maailmaa voidaan lopulta mallintaa laajemminkin kuin vain molekyylitransformaatioiden osalta, mikä on nyt VILMA:n fokus.
Tuloksia ja tekoälymenetelmiä halutaan levittää muun muassa julkaisemalla avoimia ohjelmistoja ja työkaluja virtuaaliseen laboratorioon. Projektiin palkataan mukaan myös väitöskirjan tekijöitä ja postdoc-tutkijoita.
Huippuyksikkö huomioi myös suuren yleisön. Tulevaisuudessa VILMA:n virtuaalilaboratorion tiedeviestintään räätälöidyt versiot tulevat tarjoamaan myös koululaisille ja suurelle yleisölle mahdollisuuden oivalluksiin paitsi ilmakehätieteestä myös tieteellisestä prosessista yleisesti.
VILMA on Suomen Akatemian rahoittama tutkimuksen huippuyksikkö, jonka toteuttavat Helsingin yliopisto, Itä-Suomen yliopisto, Tampereen yliopisto ja Aalto-yliopisto.
VILMA:n kotisivut: https://www.helsinki.fi/en/researchgroups/vilma