A causa della composizione a strati della Terra, gli scienziati hanno spesso paragonato la disposizione di base del suo interno a quella di una cipolla. C'è la familiare sottile crosta dei continenti e dei fondali oceanici; il fitto manto di caldo, roccia semisolida; il nucleo esterno di metallo fuso; e il nucleo interno in ferro pieno.

Ma a differenza di una cipolla, rimuovere gli strati della Terra per esplorare meglio le dinamiche planetarie non è un'opzione, costringendo gli scienziati a fare ipotesi plausibili sulla vita interiore del nostro pianeta sulla base di osservazioni a livello superficiale. Tecniche di imaging intelligenti ideate da scienziati computazionali, però, offrire la promessa di illuminare i segreti sotterranei della Terra.

Utilizzando la modellazione e la simulazione avanzate, dati sismici generati da terremoti, e uno dei supercomputer più veloci al mondo, un team guidato da Jeroen Tromp dell'Università di Princeton sta creando un'immagine tridimensionale dettagliata dell'interno della Terra. Attualmente, il team è concentrato sull'imaging dell'intero globo dalla superficie al confine del nucleo-mantello, una profondità di 1, 800 miglia.

Queste simulazioni ad alta fedeltà aggiungono contesto ai dibattiti in corso relativi alla storia e alle dinamiche geologiche della Terra, portando caratteristiche importanti come le placche tettoniche, pennacchi di magma, e hotspot in vista. Nel 2016, il team ha rilasciato il suo modello globale di prima generazione. Creato utilizzando i dati di 253 terremoti catturati dai sismogrammi sparsi in tutto il mondo, il modello del team si distingue per la sua portata globale e l'elevata scalabilità.

"Questo è il primo modello sismico globale in cui non sono state utilizzate approssimazioni, oltre al metodo numerico scelto, per simulare il modo in cui le onde sismiche viaggiano attraverso la Terra e come percepiscono le eterogeneità, " disse Ebru Bozdag, un ricercatore capo del progetto e un assistente professore di geofisica presso l'Università di Nizza Sophia Antipolis. "Questa è una pietra miliare per la comunità sismologica. Per la prima volta, abbiamo mostrato alle persone il valore e la fattibilità di utilizzare questo tipo di strumenti per l'imaging sismico globale".

La genesi del progetto può essere fatta risalire a una teoria dell'imaging sismico proposta per la prima volta negli anni '80. Per colmare le lacune all'interno delle mappe dei dati sismici, la teoria postulava un metodo chiamato tomografia aggiunta, una tecnica iterativa di inversione della forma d'onda completa. Questa tecnica sfrutta più informazioni rispetto ai metodi concorrenti, utilizzando onde in avanti che viaggiano dall'origine del terremoto al ricevitore sismico e alle onde adiacenti, che sono onde derivate matematicamente che viaggiano dal ricevitore al terremoto.

Il problema con la verifica di questa teoria? "Hai bisogno di computer davvero grandi per farlo, "Bozdag ha detto, "perché sia ​​le simulazioni di onde in avanti che quelle adiacenti vengono eseguite numericamente in 3D".

Nel 2012, proprio una macchina del genere è arrivata sotto forma di supercomputer Titan, un Cray XK7 da 27 petaflop gestito dall'Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE situata presso l'Oak Ridge National Laboratory del DOE. Dopo aver provato il suo metodo su macchine più piccole, Il team di Tromp ha ottenuto l'accesso a Titan nel 2013 attraverso l'Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment, o INCITE, programma.

Lavorando con il personale dell'OLCF, il team continua a spingere i limiti della sismologia computazionale a profondità più profonde.

Cucire insieme fette sismiche

Quando un terremoto colpisce, il rilascio di energia crea onde sismiche che spesso devastano la vita in superficie. Quelle stesse onde, però, rappresentano un'opportunità per gli scienziati di scrutare nel sottosuolo misurando le vibrazioni che attraversano la Terra.

Mentre le onde sismiche viaggiano, i sismogrammi possono rilevare variazioni nella loro velocità. Questi cambiamenti forniscono indizi sulla composizione, densità, e la temperatura del mezzo attraversato dall'onda. Per esempio, le onde si muovono più lentamente quando passano attraverso il magma caldo, come pennacchi di mantello e punti caldi, di quanto non facciano quando passano attraverso zone di subduzione più fredde, posizioni in cui una placca tettonica scorre sotto un'altra.

Ogni sismogramma rappresenta una fetta stretta dell'interno del pianeta. Cucendo insieme molti sismogrammi, i ricercatori possono produrre un'immagine globale 3D, catturando tutto, dai pennacchi di magma che alimentano l'Anello di Fuoco, agli hotspot di Yellowstone, alle placche subdotte sotto la Nuova Zelanda.

Questo processo, chiamata tomografia sismica, funziona in modo simile alle tecniche di imaging impiegate in medicina, dove le immagini a raggi X 2-D prese da molte prospettive sono combinate per creare immagini 3-D di aree all'interno del corpo.

Nel passato, le tecniche di tomografia sismica sono state limitate nella quantità di dati sismici che possono utilizzare. I metodi tradizionali hanno costretto i ricercatori a fare approssimazioni nelle loro simulazioni d'onda e a limitare i dati di osservazione solo alle principali fasi sismiche. La tomografia aggiunta basata su simulazioni numeriche 3D impiegate dal team di Tromp non è vincolata in questo modo. "Possiamo utilizzare tutti i dati, qualsiasi cosa, " ha detto Bozdag.

Eseguendo la sua versione GPU del codice SPECFEM3D_GLOBE, Il team di Tromp ha utilizzato Titan per applicare l'inversione della forma d'onda completa su scala globale. Il team ha quindi confrontato questi "sismogrammi sintetici" con i dati sismici osservati forniti dalle Incorporated Research Institutions for Sismology (IRIS), calcolando la differenza e reimmettendo tali informazioni nel modello per un'ulteriore ottimizzazione. Ogni ripetizione di questo processo migliora i modelli globali.

"Questo è ciò che chiamiamo il flusso di lavoro della tomografia aggiunta, e su scala globale richiede un supercomputer come Titan per essere eseguito in tempi ragionevoli, " ha detto Bozdag. "Per il nostro modello di prima generazione, abbiamo completato 15 iterazioni, che in realtà è un piccolo numero per questo tipo di problemi. Nonostante il piccolo numero di iterazioni, il nostro modello globale migliorato mostra la potenza del nostro approccio. Questo è solo l'inizio, però."

Automatizzare per aumentare

Per il suo modello globale iniziale, Il team di Tromp ha selezionato eventi sismici che hanno registrato tra 5,8 e 7 della scala Richter, uno standard per misurare l'intensità dei terremoti. Tale intervallo può essere leggermente esteso per includere più di 6, 000 terremoti nel database IRIS, circa 20 volte la quantità di dati utilizzati nel modello originale.

Ottenere il massimo da tutti i dati disponibili richiede un solido flusso di lavoro automatizzato in grado di accelerare il processo iterativo del team. Collaborando con il personale dell'OLCF, La squadra di Tromp ha fatto progressi verso questo obiettivo.

Per il modello di prima generazione del team, Bozdag ha eseguito manualmente ogni fase del flusso di lavoro, impiegando circa un mese per completare un aggiornamento del modello. I membri del team Matthieu Lefebvre, Wenjie Lei, e Youyi Ruan dell'Università di Princeton e Judy Hill dell'OLCF hanno sviluppato nuovi processi di flusso di lavoro automatizzati che mantengono la promessa di ridurre quel ciclo a una questione di giorni.

"L'automazione la renderà davvero più efficiente, e ridurrà anche l'errore umano, che è abbastanza facile da introdurre, " ha detto Bozdag.

Un ulteriore sostegno da parte del personale dell'OLCF ha contribuito all'uso efficiente e all'accessibilità dei dati del progetto. All'inizio della vita del progetto, Il team di Tromp ha lavorato con Norbert Podhorszki dell'OLCF per migliorare il movimento e la flessibilità dei dati. Il risultato finale, chiamato Adaptable Sismic Data Format (ASDF), sfrutta la libreria parallela Adaptable I/O System (ADIOS) e offre al team di Tromp un formato di file superiore per registrare, riprodurre, e analizzare i dati su risorse di calcolo parallelo su larga scala.

Inoltre, David Pugmire dell'OLCF ha aiutato il team a implementare strumenti di visualizzazione in situ. Questi strumenti hanno consentito ai membri del team di controllare più facilmente il proprio lavoro dalle workstation locali consentendo la produzione di visualizzazioni insieme alla simulazione su Titano, eliminando la necessità di costosi trasferimenti di file.

"A volte il diavolo sta nei dettagli, quindi devi davvero stare attento e sapere cosa stai guardando, " ha detto Bozdag. "Gli strumenti di visualizzazione di David ci aiutano a investigare i nostri modelli e vedere cosa c'è e cosa no".

Con visualizzazione, la grandezza del progetto del team viene alla luce. Il ciclo miliardario della roccia fusa che sale dal confine nucleo-mantello e cade dalla crosta, non diversamente dal movimento dei globuli in una lampada di lava, prende forma, così come altre caratteristiche geologiche di interesse.

In questa fase, la risoluzione del modello globale del team sta diventando abbastanza avanzata da informare gli studi continentali, in particolare nelle regioni con una copertura dati densa. Rendendolo utile a livello regionale o più piccolo, come l'attività del mantello sotto la California meridionale o la crosta sismica di Istanbul, richiederà un lavoro aggiuntivo.

"La maggior parte dei modelli globali in sismologia concordano su grandi scale ma differiscono significativamente l'uno dall'altro su scale più piccole, " Bozdag ha detto. "Ecco perché è fondamentale avere un'immagine più accurata dell'interno della Terra. La creazione di immagini ad alta risoluzione del mantello ci consentirà di contribuire a queste discussioni".

Scavando più a fondo

Per migliorare ulteriormente la precisione e la risoluzione, Il team di Tromp sta sperimentando i parametri del modello nell'ambito della sua più recente allocazione INCITE. Per esempio, il modello di seconda generazione del team introdurrà inversioni anisotrope, che sono calcoli che catturano meglio i diversi orientamenti e movimenti della roccia nel mantello. Queste nuove informazioni dovrebbero fornire agli scienziati un quadro più chiaro del flusso del mantello, composizione, e interazioni crosta-mantello.

Inoltre, i membri del team Dimitri Komatitsch dell'Università di Aix-Marseille in Francia e Daniel Peter dell'Università King Abdullah in Arabia Saudita stanno portando avanti gli sforzi per aggiornare SPECFEM3D_GLOBE per incorporare funzionalità come la simulazione di onde sismiche a frequenza più elevata. La frequenza di un'onda sismica, misurato in Hertz, è equivalente al numero di onde che passano attraverso un punto fisso in un secondo. Ad esempio, l'attuale frequenza minima utilizzata nella simulazione del team è di circa 0,05 hertz (1 onda per 20 secondi), ma Bozdag ha affermato che il team vorrebbe anche incorporare onde sismiche fino a 1 hertz (1 onda al secondo). Ciò consentirebbe al team di modellare dettagli più fini nel mantello terrestre e persino di iniziare a mappare il nucleo terrestre.

Per fare questo salto, Il team di Tromp si sta preparando per il Summit, supercomputer di nuova generazione dell'OLCF. In arrivo nel 2018, Summit fornirà almeno cinque volte la potenza di calcolo di Titan. Come parte del Center for Accelerated Application Readiness dell'OLCF, Il team di Tromp sta lavorando con il personale dell'OLCF per sfruttare la potenza di calcolo di Summit all'arrivo.

"Con Vertice, saremo in grado di visualizzare l'intero globo dalla crosta fino al centro della Terra, compreso il nucleo, " ha detto Bozdag. "I nostri metodi sono costosi, abbiamo bisogno di un supercomputer per eseguirli, ma i nostri risultati mostrano che queste spese sono giustificate, anche necessario."