Debido a la composición en capas de la Tierra, Los científicos a menudo han comparado la disposición básica de su interior con la de una cebolla. Está la fina corteza familiar de los continentes y los fondos oceánicos; el manto espeso de calor, roca semisólida; el núcleo exterior de metal fundido; y el núcleo interior de hierro macizo.

Pero a diferencia de una cebolla, pelar las capas de la Tierra para explorar mejor la dinámica planetaria no es una opción, obligando a los científicos a hacer conjeturas fundamentadas sobre la vida interior de nuestro planeta basándose en observaciones a nivel de la superficie. Técnicas de imágenes inteligentes diseñadas por científicos computacionales, sin embargo, ofrecen la promesa de iluminar los secretos subterráneos de la Tierra.

Usando modelado y simulación avanzados, datos sísmicos generados por terremotos, y una de las supercomputadoras más rápidas del mundo, un equipo dirigido por Jeroen Tromp de la Universidad de Princeton está creando una imagen detallada en 3D del interior de la Tierra. En la actualidad, el equipo se centra en obtener imágenes de todo el mundo desde la superficie hasta el límite entre el núcleo y el manto, una profundidad de 1, 800 millas.

Estas simulaciones de alta fidelidad agregan contexto a los debates en curso relacionados con la historia y la dinámica geológica de la Tierra, trayendo características prominentes como placas tectónicas, plumas de magma, y puntos de acceso a la vista. En 2016, el equipo lanzó su modelo global de primera generación. Creado con datos de 253 terremotos capturados por sismogramas repartidos por todo el mundo, El modelo del equipo destaca por su alcance global y alta escalabilidad.

"Este es el primer modelo sísmico global en el que no se utilizaron aproximaciones, aparte del método numérico elegido, para simular cómo viajan las ondas sísmicas a través de la Tierra y cómo detectan heterogeneidades, "dijo Ebru Bozdag, investigador coprincipal del proyecto y profesor asistente de geofísica en la Universidad de Niza Sophia Antipolis. "Ese es un hito para la comunidad sismológica. Por primera vez, mostramos a la gente el valor y la viabilidad de ejecutar este tipo de herramientas para la obtención de imágenes sísmicas globales ".

La génesis del proyecto se remonta a una teoría de imágenes sísmicas propuesta por primera vez en la década de 1980. Para llenar los vacíos dentro de los mapas de datos sísmicos, la teoría postuló un método llamado tomografía adjunta, una técnica iterativa de inversión de forma de onda completa. Esta técnica aprovecha más información que los métodos de la competencia, utilizando ondas directas que viajan desde el origen del terremoto hasta el receptor sísmico y las ondas adyacentes, que son ondas derivadas matemáticamente que viajan desde el receptor hasta el terremoto.

¿El problema de probar esta teoría? "Necesitas computadoras realmente grandes para hacer esto, "Bozdag dijo, "porque tanto las simulaciones de ondas directas como las adyacentes se realizan numéricamente en 3-D".

En 2012, tal máquina llegó en forma de supercomputadora Titán, un Cray XK7 de 27 petaflop administrado por Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE ubicada en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del DOE. Después de probar su método en máquinas más pequeñas, El equipo de Tromp obtuvo acceso a Titan en 2013 a través del Impacto computacional innovador y novedoso en la teoría y el experimento, o INCITE, programa.

Trabajando con el personal de OLCF, el equipo continúa empujando los límites de la sismología computacional a profundidades más profundas.

Uniendo cortes sísmicos

Cuando golpea un terremoto, la liberación de energía crea ondas sísmicas que a menudo causan estragos en la vida en la superficie. Esas mismas olas sin embargo, presentan una oportunidad para que los científicos miren el subsuelo midiendo las vibraciones que atraviesan la Tierra.

A medida que viajan las ondas sísmicas, los sismogramas pueden detectar variaciones en su velocidad. Estos cambios proporcionan pistas sobre la composición, densidad, y temperatura del medio por el que pasa la onda. Por ejemplo, las ondas se mueven más lentamente al pasar por magma caliente, como plumas del manto y puntos calientes, que cuando pasan por zonas de subducción más frías, ubicaciones donde una placa tectónica se desliza debajo de otra.

Cada sismograma representa una pequeña porción del interior del planeta. Uniendo muchos sismogramas, los investigadores pueden producir una imagen global en 3-D, capturando todo, desde plumas de magma que alimentan el Anillo de Fuego, a los puntos calientes de Yellowstone, a placas subducidas bajo Nueva Zelanda.

Este proceso, llamada tomografía sísmica, funciona de manera similar a las técnicas de imagen empleadas en medicina, donde se combinan imágenes de rayos X en 2-D tomadas desde muchas perspectivas para crear imágenes en 3-D de áreas internas del cuerpo.

En el pasado, Las técnicas de tomografía sísmica han sido limitadas en la cantidad de datos sísmicos que pueden utilizar. Los métodos tradicionales obligaron a los investigadores a hacer aproximaciones en sus simulaciones de ondas y restringir los datos de observación a las principales fases sísmicas únicamente. La tomografía adjunta basada en simulaciones numéricas tridimensionales empleadas por el equipo de Tromp no está restringida de esta manera. "Podemos utilizar todos los datos, cualquier cosa y todo, "Dijo Bozdag.

Ejecutando su versión de GPU del código SPECFEM3D_GLOBE, El equipo de Tromp utilizó Titán para aplicar la inversión de forma de onda completa a escala global. Luego, el equipo comparó estos "sismogramas sintéticos" con los datos sísmicos observados proporcionados por las Instituciones de Investigación Incorporadas para la Sismología (IRIS), calculando la diferencia y volviendo a introducir esa información en el modelo para una mayor optimización. Cada repetición de este proceso mejora los modelos globales.

"Esto es lo que llamamos flujo de trabajo de tomografía adjunta, y, a escala global, requiere que una supercomputadora como Titán se ejecute en un plazo de tiempo razonable, ", Dijo Bozdag." Para nuestro modelo de primera generación, completamos 15 iteraciones, que en realidad es un número pequeño para este tipo de problemas. A pesar del pequeño número de iteraciones, nuestro modelo global mejorado muestra el poder de nuestro enfoque. Este es solo el comienzo, sin embargo."

Automatizar para aumentar

Para su modelo global inicial, El equipo de Tromp seleccionó eventos de terremotos que registraron entre 5.8 y 7 en la escala de Richter, un estándar para medir la intensidad de los terremotos. Ese rango se puede ampliar ligeramente para incluir más de 6, 000 terremotos en la base de datos de IRIS, aproximadamente 20 veces la cantidad de datos utilizados en el modelo original.

Para aprovechar al máximo todos los datos disponibles, se requiere un flujo de trabajo automatizado robusto capaz de acelerar el proceso iterativo del equipo. Colaborando con el personal de OLCF, El equipo de Tromp ha avanzado hacia este objetivo.

Para el modelo de primera generación del equipo, Bozdag llevó a cabo cada paso del flujo de trabajo manualmente, tarda aproximadamente un mes en completar una actualización de modelo. Miembros del equipo Matthieu Lefebvre, Wenjie Lei, y Youyi Ruan de la Universidad de Princeton y Judy Hill de OLCF desarrollaron nuevos procesos de flujo de trabajo automatizados que mantienen la promesa de reducir ese ciclo a cuestión de días.

"La automatización realmente lo hará más eficiente, y también reducirá el error humano, que es bastante fácil de introducir, "Dijo Bozdag.

El apoyo adicional del personal de OLCF ha contribuido al uso eficiente y la accesibilidad de los datos del proyecto. Al principio de la vida del proyecto, El equipo de Tromp trabajó con Norbert Podhorszki de OLCF para mejorar el movimiento de datos y la flexibilidad. El final resulto, denominado Formato de datos sísmicos adaptable (ASDF), aprovecha la biblioteca paralela del Sistema de E / S Adaptable (ADIOS) y le da al equipo de Tromp un formato de archivo superior para grabar, reproducir, y analizar datos sobre recursos informáticos paralelos a gran escala.

Además, David Pugmire de la OLCF ayudó al equipo a implementar herramientas de visualización in situ. Estas herramientas permitieron a los miembros del equipo verificar su trabajo más fácilmente desde las estaciones de trabajo locales al permitir que las visualizaciones se produzcan junto con la simulación en Titan. eliminando la necesidad de costosas transferencias de archivos.

"A veces el diablo está en los detalles, por lo que realmente debes tener cuidado y saber lo que estás mirando, ", Dijo Bozdag." Las herramientas de visualización de David nos ayudan a investigar nuestros modelos y ver qué hay y qué no ".

Con visualización, sale a la luz la magnitud del proyecto del equipo. El ciclo de mil millones de años de roca fundida que se eleva desde el límite entre el núcleo y el manto y cae de la corteza, no muy diferente al movimiento de los glóbulos en una lámpara de lava, toma forma, al igual que otras características geológicas de interés.

En este punto, la resolución del modelo global del equipo se está volviendo lo suficientemente avanzada como para informar los estudios continentales, particularmente en regiones con una densa cobertura de datos. Haciéndolo útil a nivel regional o más pequeño, como la actividad del manto debajo del sur de California o la corteza propensa a terremotos de Estambul, requerirá trabajo adicional.

"La mayoría de los modelos globales en sismología concuerdan a gran escala, pero difieren significativamente entre sí a escalas más pequeñas, "Dijo Bozdag." Por eso es crucial tener una imagen más precisa del interior de la Tierra. La creación de imágenes de alta resolución del manto nos permitirá contribuir a estas discusiones ".

Cavar más profundo

Para mejorar aún más la precisión y la resolución, El equipo de Tromp está experimentando con los parámetros del modelo en su asignación INCITE más reciente. Por ejemplo, El modelo de segunda generación del equipo introducirá inversiones anisotrópicas, que son cálculos que captan mejor las diferentes orientaciones y el movimiento de la roca en el manto. Esta nueva información debería dar a los científicos una imagen más clara del flujo del manto, composición, e interacciones corteza-manto.

Adicionalmente, los miembros del equipo Dimitri Komatitsch de la Universidad de Aix-Marseille en Francia y Daniel Peter de la Universidad King Abdullah en Arabia Saudita están liderando los esfuerzos para actualizar SPECFEM3D_GLOBE para incorporar capacidades como la simulación de ondas sísmicas de alta frecuencia. La frecuencia de una onda sísmica, medido en hercios, es equivalente al número de ondas que pasan por un punto fijo en un segundo. Por ejemplo, la frecuencia mínima actual utilizada en la simulación del equipo es de aproximadamente 0,05 hercios (1 onda por 20 segundos), pero Bozdag dijo que al equipo también le gustaría incorporar ondas sísmicas de hasta 1 hertz (1 onda por segundo). Esto permitiría al equipo modelar detalles más finos en el manto de la Tierra e incluso comenzar a mapear el núcleo de la Tierra.

Para dar este salto El equipo de Tromp se está preparando para Summit, la supercomputadora de próxima generación de la OLCF. Está previsto que llegue en 2018, Summit proporcionará al menos cinco veces la potencia informática de Titán. Como parte del Centro de preparación para aplicaciones aceleradas de la OLCF, El equipo de Tromp está trabajando con el personal de OLCF para aprovechar la potencia informática de Summit a su llegada.

"Con Summit, podremos obtener imágenes de todo el globo desde la corteza hasta el centro de la Tierra, incluido el núcleo, ", Dijo Bozdag." Nuestros métodos son costosos, necesitamos una supercomputadora para llevarlos a cabo, pero nuestros resultados muestran que estos gastos están justificados, incluso necesario ".