Clima, un enigma da rete neurale

Roma – Un viaggio all’interno del nostro cervello per cercare di capire come funziona e come la tecnologia può imitarlo. E’ questo il punto di partenza per lo sviluppo di qualsiasi intelligenza artificiale , sistema capace di simulare, emulare e rappresentare processi di elaborazione che possono essere in qualche modo posti in relazione con le abilità umane. Non solo calcoli, dunque, come soltanto i calcolatori (anche quelli più potenti) possono fare ma qualcosa di più. In Italia , nonostante la stagione buia della ricerca, si stanno portando avanti alcuni progetti che riguardano lo sviluppo delle reti neurali (che puntano a riprodurre artificialmente il funzionamento dei neuroni e delle sinapsi .

In particolare l’ Istituto sull’inquinamento atmosferico del CNR (Consiglio nazionale delle ricerche) ha avviato da qualche mese un progetto che dovrà essere in grado di conoscere , anche a livello locale, la temperatura del nostro pianeta negli ultimi 140 anni, per capire meglio le cause che stanno portando al progressivo riscaldamento del pianeta. Sotto accusa quella che gli scienziati chiamano azione antropica , ovvero l’agire dell’uomo e l’impatto che le sue azioni hanno sul clima. Per farlo, è stato messo a punto un modello a rete neurale che simula semplici funzionalità del cervello umano, come l’ apprendimento , e che è in grado di ricostruire la temperatura dell’aria a varie scale, a partire dai dati dei fattori di influenza esterna al sistema clima, siano essi naturali o di origine umana.

“I fattori principali che guidano l’andamento della temperatura media globale negli ultimi 140 anni sono ascrivibili sia alle attività umane sia, per quanto riguarda la variabilità climatica che si riscontra da un anno a quello immediatamente successivo, al fenomeno di El Niño”. Questo è quanto ha scritto Antonello Pasini , da anni impegnato nel progetto del CNR e autore insieme a Massimo Lorè dell’Istituto del CNR, di uno studio condotto con Fabrizio Ameli dell’ Istituto nazionale di fisica nucleare (Infn). Per spiegare meglio in cosa consista lo studio e quali scenari possano aprirsi, Punto Informatico ha parlato proprio con Pasini, già del Servizio meteorologico dell’Aeronautica .

Punto Informatico: Il discorso è molto complesso e tecnico ma proviamo a far comprendere a tutti di cosa si tratta. Iniziamo con il concetto di intelligenza artificiale…
Antonello Pasini: Da molto tempo l’uomo prova a ricreare le funzionalità della propria mente per riprodurre una intelligenza in maniera artificiale che possa servire diversi ambiti della scienza. Una intelligenza è cosa ben diversa dagli attuali computer che si limitano ad elaborare dati forniti. Per avere una idea diciamo che siamo ancora molto lontani dal superare il famoso test di Turing dove tre soggetti si confrontano dovendo individuare quale fra loro è l’intelligenza artificiale. Al momento diciamo che abbiamo intrapreso un lungo percorso iniziando a studiare il nostro cervello…

PI: Il nostro cervello? Cioè?
AP: Abbiamo cercato di ricreare con le nostre conoscenze tecnologiche la struttura del cervello con neuroni e sinapsi e abbiamo provato a farli interagire fra loro, seguendo gli stessi meccanismi presenti in natura. Siamo riusciti così a creare una speciale rete neurale con neuroni artificiali caricati con dati messi in rete tramite delle connessioni che svolgono il ruolo delle sinapsi.
Le reti neurali sono note oggi, anche se non nel dettaglio, a chi si occupa un po’ di sistemi artificiali, applicazioni in qualche modo “informatiche”. Ci siamo accorti così che con questo sistema venivano elaborate e messe in evidenza azioni e reazioni in sistemi complessi, che altrimenti sarebbero sfuggite alla nostra mente.

PI: Per esempio?
AP: Noi studiamo il clima e la temperatura negli ultimi 140 anni. Gli attuali sistemi basati sui modelli matematici si fondano su equazioni e parametri che tuttavia non permettono di catturare tutte le relazioni tra i diversi fattori. La rete neurale analizza dei dati in un sistema complesso come il clima e trova delle relazioni fra le diverse variabili che sono molto difficili per noi umani da individuare, perché troppo complesse. La rete ha il vantaggio che riesce a fare correlazioni non lineari ottimizzando il risultato.

PI:…In effetti diventa piuttosto complicato. Ma diciamo che con la rete neurale oltre alla elaborazione dei dati il sistema riesce anche svolgere una sorta di “valutazione” dei dati e di “apprendimento” cioè facendo in modo che non si compiano più gli stessi errori
AP: Alcune nostre ricerche precedenti mostravano come un modello a rete neurale fosse in grado di stabilire legami e leggi fisiche in sistemi complessi come quelli ambientali. Il nostro obiettivo è stato allora quello di applicare tale modello alla ricostruzione del clima passato.


PI:…ma per riuscire a capire cosa potrebbe succedere nel futuro?
AP: Qualcosa già esiste, sono nel campo da una decina di anni e quando lavoravo al Servizio meteorologico bisognava sapere per esempio quando sarebbe arrivata la nebbia nella zona padana, informazione necessaria per gli scali aerei. Oggi invece con il CNR siamo in grado di prevedere l’andamento dei bassi strati dell’atmosfera e 6-12 ore prima sappiamo dove si manifesteranno episodi critici di inquinamento. Con benefici enormi nel campo della tutela ambientale.

PI: Applicando la rete neurale a questo studio avete avuto una conferma del fatto che lo sconvolgimento del clima è opera anche dell’uomo
AP: Alcuni dati erano già conosciuti, ma ora possiamo dire che la conferma è arrivata da una “intelligenza” super partes, che ha confermato precisamente come siano importanti gli effetti delle emissioni in atmosfera di alcuni elementi.

PI: Dal punto di vista del software come vi siete mossi?
AP: Io stesso ho elaborato un tool negli ultimi anni composto di programmi Fortran, attualmente anche tradotti in C, che simulano il funzionamento di un piccolo cervello in termini di reti neurali artificiali. Il tool è nato in anni in cui non erano a disposizione pacchetti per chi deve fare ricerca (e quindi deve mettere le mani pesantemente sul codice), ma solo per utenti. Oggi, anche se la situazione è un po’ cambiata (ad esempio, il toolbox di reti neurali di Matlab è piuttosto evoluto), il mio tool consente comunque di avere a disposizione diverse opzioni utili per chi fa ricerca nel campo dei sistemi complessi, in particolare di quelli ambientali.

PI: Il futuro riserva software più sofisticati?
AP: Il mio gruppo di ricerca è molto piccolo: ho un collaboratore all’Infn e, di tanto in tanto, laureandi o borsisti. Ho in programma sviluppi del software che lo rendano ancora più adatto a studiare sistemi complessi, ad esempio l’implementazione di algoritmi di apprendimento genetici… Tutto dipenderà dai finanziamenti che si riusciranno ad attrarre su questi progetti.

PI: Non è strano che un progetto innovativo come questo in realtà venga elaborato da un gruppo così poco numeroso?
AP: Si sa, la ricerca è negletta. Tuttavia i finanziamenti che pure vengono destinati servono per progetti che devono dare un risultato immediato: nessuno vuole mettere soldi se poi sa che rischia di non raccogliere nulla da qui a poco. Invece almeno nel nostro campo c’è bisogno di investire sulle scienze di base… anche se i risultati non sono previsti nel breve periodo.

A questo proposito, il dottor Pasini ci confida che il suo cervello non ha mai pensato di fuggire all’estero (“anche se a volte la tentazione è forte”) ma – sottolinea – non l’ha fatto solo per motivi personali.

a cura di Alessandro Biancardi