4 Milliarden Jahre in 4 Minuten – Weltsimulation auf der GPU

Weltsimulation auf der GPU

4 Milliarden Jahre in 4 Minuten

• Dieser Artikel behandelt die Implementierung einer prozeduralen Erdsimulation, die als GLSL-Fragment-Shader geschrieben wurde
• Die gesamte Geschichte eines erdähnlichen Planeten wird in wenigen Minuten simuliert und mit 60 Bildern pro Sekunde aktualisiert

Urplanet

• Die Geschichte beginnt vor 4,5 Milliarden Jahren als Klumpen aus Lava
• Die frühe Erde war aufgrund von Asteroideneinschlägen ein roter und heißer Urplanet
• Die Geländehöhe wird mithilfe einer prozedural erzeugten Terrain-Map berechnet
• Es werden Einschlagskrater von Asteroiden in verschiedenen Größen erzeugt, aus denen die Geländehöhe bestimmt wird
• Asteroidenkrater werden in einem 3D-Raster erzeugt und mit Hash-Funktionen unregelmäßig gemacht
• Die schließlich erzeugte Heightmap stellt das Aussehen der frühen Erde nach

Plattentektonik

• Zur Bildung von Gebirgen, Tiefseegräben und kontinentalen Landformen wird ein Modell der Plattentektonik verwendet
• Seed-Positionen der Platten werden mit Anfangsgeschwindigkeiten zufällig erzeugt, und die Platten wachsen im Lauf der Zeit
• Kommt es an den Plattengrenzen zu Kollisionen, steigt die Geländehöhe an
• Diese Kollisionen breiten sich mithilfe eines thermischen Erosionsmodells auf umliegende Pixel aus

Hydraulische Erosion

• Das raue Aussehen natürlicher Landschaften wird vor allem durch die Bildung von Flusseinzugsgebieten bestimmt
• Es wird ein Modell verwendet, mit dem sich Flüsse auch auf niedrig aufgelösten Terrain-Maps simulieren lassen
• Jedes Pixel prüft die acht benachbarten Pixel, und Wasser fließt in Richtung des stärksten Gefälles
• Die Erosion wird durch das Stream-Power-Gesetz angetrieben
• Durch das Zusammenspiel von Wasserfluss und Erosion entstehen natürliche Flusseinzugsgebiete

Globales Klima

• Die Simulation des Klimasystems basiert auf einer Karte des mittleren Luftdrucks auf Meereshöhe (MSLP)
• Die MSLP-Karte wird von der Lage von Land und Ozeanen sowie vom Breitengrad beeinflusst
• Die MSLP-Karte wird so angepasst, dass sich Klimamuster mit den Jahreszeiten verändern
• Auf Basis von MSLP werden Wind und Temperatur erzeugt
• Wind bewegt sich von Hochdruck- zu Tiefdruckgebieten, wobei der Coriolis-Effekt berücksichtigt wird
• Niederschlag wird über das Windvektorfeld vom Ozean auf das Land transportiert

Leben

• Das Klima beeinflusst die Verteilung des Lebens auf dem Planeten
• Niederschlagsmuster und Temperaturänderungen bestimmen die Wachstumsrate von Pflanzen
• Pflanzenfresser und Raubtiere wandern mit den Jahreszeiten
• Diese dynamischen Veränderungen werden mit einem Lotka-Volterra-Diffusionsmodell simuliert

Die Menschheit

• Nach dem Auftakt der frühen Erde kolonisiert die Menschheit die Oberfläche des Planeten
• Sie verbrennt fossile Brennstoffe und setzt Kohlenstoff in die Atmosphäre frei
• Über mehrere Jahrhunderte verbraucht die Menschheit sämtliche Ressourcen an fossilen Brennstoffen und setzt 5 Billionen Tonnen Kohlenstoff in die Atmosphäre frei
• Dadurch verstärkt sich der Treibhauseffekt, und die globale Durchschnittstemperatur der Erde steigt um etwa 10 Grad
• Große Regionen rund um den Äquator werden wegen extremer Temperaturen unbewohnbar

Zusammenfassung von GN⁺

• Dieser Artikel erläutert den Implementierungsprozess einer prozeduralen Erdsimulation im Detail
• Mit GLSL-Fragment-Shadern werden Terrain, Plattentektonik, hydraulische Erosion, Klima, Leben und mehr simuliert
• Durch die Simulation der Auswirkungen menschlicher Aktivitäten auf die Umwelt der Erde wird ein Warnsignal gesetzt
• Als ähnliche Projekte werden "SimEarth" und "Universe Sandbox" empfohlen

[GN⁺]

Hacker-News-Kommentare

• Die Kurzgeschichte "I don't know, Timmy, being God is a big responsibility" behandelt das Thema Weltsimulation
• Die Annahme, dass eine Zivilisation mit nächtlicher Beleuchtung alle fossilen Brennstoffe verbrennt und dadurch zur Wüstenbildung führt, basiert nur auf der Entwicklung unserer eigenen Zivilisation
  • Es gibt auch andere Möglichkeiten, etwa einen Atomkrieg, die Entwicklung sauberer Fusion, Pandemien oder eine Invasion durch außerirdische Planeten
  • Ein Temperaturanstieg wird mit Trockenheit gleichgesetzt, und die Auswirkungen von zusätzlichem CO2 auf Pflanzen werden nicht berücksichtigt
• 1996/1997 wurde ein CD-ROM-Spiel entwickelt, das Plattentektonik, Temperatur, Höhe und Niederschlag simuliert
  • Die Entwicklung von Computing-Hardware und Software in den vergangenen 28 Jahren ist erstaunlich
• Das Hard-SF-Buch "Permutation City" ist eng mit diesem Thema verbunden
  • Beim Lesen des Titels dieses Artikels fühlte es sich an, als würde ich träumen
• An der Universität wurden in einem Kurs zur Analyse von Energiepolitik mit dem am MIT entwickelten EPPA-Modell Simulationen durchgeführt, etwa dazu, die Kosten für Energiespeicherung um den Faktor 10 zu senken
  • Das hat großen Spaß gemacht, aber ich konnte bei der Arbeit nichts Ähnliches finden
• Es wird erwähnt, dass in der Simulation einige Details ausgelassen wurden
• Es wird infrage gestellt, warum nur Fragment-Shader verwendet werden
  • Mit einem Vertex-Shader für die Heightmap könnte man auch bis zur Oberfläche hineinzoomen
• Das Shadertoy-Beispiel läuft auf der Seite mit 0,6 FPS, auf der Shadertoy-Website selbst aber problemlos mit 60 FPS
• Man fragt sich gelegentlich, wie es wohl wäre, in einem simulierten Universum zu leben
• Die Musik, die das gesamte Video begleitet, kam mir bekannt vor, aber ich wusste nicht, woher
  • Möglicherweise handelt es sich um von KI generierte Musik