Científicos en Munich han completado la primera simulación detallada del terremoto de Sumatra que provocó un devastador tsunami el día después de Navidad en 2004. Los resultados ofrecen nuevos conocimientos sobre los procesos geofísicos subyacentes.

El terremoto de Sumatra-Andaman en la Navidad de 2004 fue uno de los eventos sísmicos más poderosos y destructivos de la historia. Desencadenó una serie de tsunamis, matando al menos 230, 000 personas. La secuencia exacta de eventos involucrados en el terremoto sigue sin estar clara.

Ahora se dispone de una comprensión más profunda de los procesos geofísicos involucrados, gracias a una simulación realizada por un equipo de geofísicos, informáticos y matemáticos de la Universidad Técnica de Munich (TUM) y LMU Munich en la supercomputadora SuperMUC en el Centro de Supercomputación Leibniz (LRZ) de la Academia de Ciencias de Baviera. Esta simulación de dinámica de ruptura más grande de un terremoto podría facilitar el desarrollo de sistemas de alerta temprana más confiables. Los resultados de la simulación se presentarán en la Conferencia Internacional de Computación de Alto Rendimiento, Redes, Almacenamiento y análisis (SC 17) en Denver, Colorado, que comenzó el 12 de noviembre.

La previsión precisa es prácticamente imposible

En las zonas de subducción:lugares donde las placas tectónicas se encuentran en las costuras de la corteza terrestre, con una placa moviéndose debajo de la otra, los terremotos ocurren a intervalos regulares. Sin embargo, aún no se sabe con precisión bajo qué condiciones tales "terremotos de subducción" pueden causar tsunamis o qué tan grandes serán dichos tsunamis.

Los terremotos son procesos físicos muy complejos. En contraste con los procesos mecánicos que ocurren en el frente de ruptura, que tienen lugar a una escala de unos pocos metros como máximo, toda la superficie de la Tierra se eleva y desciende sobre un área de cientos de kilómetros cuadrados. Durante el terremoto de Sumatra, el desgarro en la corteza terrestre se extendió por más de 1, 500 km (aproximadamente equivalente a la distancia de Múnich a Helsinki o de Los Ángeles a Seattle):la falla de ruptura más larga jamás vista. En 10 minutos, el lecho marino fue desplazado verticalmente por el terremoto hasta en 10 metros.

Simulación con más de 100 mil millones de grados de libertad

Para simular todo el terremoto, los científicos cubrieron el área que se extiende desde la India hasta Tailandia con una malla tridimensional que consta de más de 200 millones de elementos e incorpora más de 100 mil millones de grados de libertad.

El tamaño de los elementos varió según la resolución requerida:se utilizó una malla mucho más fina a lo largo de la falla para resolver los complejos procesos de fricción, y en la superficie para tener en cuenta las características topográficas y las ondas sísmicas de velocidad relativamente baja que se encuentran allí. En zonas de poca complejidad y olas rápidas, se empleó una malla más gruesa.

Para calcular el patrón de propagación de ondas sísmicas, se tuvieron que calcular más de tres millones de pasos de tiempo sobre los elementos más pequeños. Como datos de entrada, el equipo utilizó toda la información disponible sobre la estructura geológica de la zona de subducción y las condiciones iniciales del lecho marino, así como experimentos de laboratorio sobre el comportamiento de la fracturación de rocas.

Además del gran límite de la placa de megathrust, los científicos consideraron tres fallas más pequeñas, o fallas de ramificación, se sospecha que ha tenido un fuerte impacto en la deformación del fondo del océano que provocó el tsunami.

Casi 50 billones de operaciones

"Para que sea posible finalizar la simulación en SuperMUC en un período de tiempo razonable, En última instancia, se necesitaron cinco años de preparativos para optimizar nuestro software de simulación de terremotos SeisSol. Hace solo dos años el tiempo de cálculo para la simulación habría sido 15 veces mayor, "explica Michael Bader, profesor de informática en TUM.

Todos los componentes algorítmicos, desde la entrada y salida de datos y los algoritmos numéricos utilizados para resolver las ecuaciones físicas hasta la implementación en paralelo en miles de procesadores multinúcleo, tuvo que ser optimizado para el SuperMUC.

La simulación de Sumatra todavía tomó casi 14 horas de tiempo de procesamiento en los 86, 016 núcleos del SuperMUC, que realizó casi 50 billones de operaciones (casi 1015 operaciones por segundo, o alrededor de 1 petaflop / s - un tercio del rendimiento informático máximo teórico).

La simulación de terremoto más grande y más larga jamás realizada

"Completamos con éxito la simulación de terremoto más grande de su tipo jamás vista, "dice la geofísica de LMU, la Dra. Alice-Agnes Gabriel." Con una duración de alrededor de ocho minutos, también es el más largo. Además de eso, fue el primer escenario basado en la física para un proceso real de ruptura por subducción. Con el cálculo simultáneo de la complicada fractura de varios segmentos de falla y la propagación subterránea de ondas sísmicas, obtuvimos conocimientos interesantes sobre los procesos geofísicos del terremoto ".

En particular, dice el doctor Gabriel, "Las fallas del esparcimiento, que se pueden imaginar como fracturas emergentes junto a la trinchera de subducción conocida, conducido a abrupto, período largo, Desplazamientos verticales del fondo marino. y por lo tanto a un mayor riesgo de tsunami. En el presente, esta capacidad de incorporar geometrías realistas en modelos físicos de terremotos es única en todo el mundo ".