Scienziati di Monaco hanno completato la prima simulazione dettagliata del terremoto di Sumatra che ha innescato uno tsunami devastante il giorno dopo il Natale del 2004. I risultati offrono nuove informazioni sui processi geofisici sottostanti.

Il terremoto di Sumatra-Andaman del Natale 2004 è stato uno degli eventi sismici più potenti e distruttivi della storia. Ha innescato una serie di tsunami, uccidendo almeno 230, 000 persone. L'esatta sequenza degli eventi coinvolti nel terremoto rimane poco chiara.

Una comprensione più profonda dei processi geofisici coinvolti è ora a portata di mano, grazie ad una simulazione eseguita da un team di geofisici, scienziati informatici e matematici dell'Università tecnica di Monaco (TUM) e LMU Monaco sul supercomputer SuperMUC presso il Leibniz Supercomputing Center (LRZ) dell'Accademia delle scienze bavarese. Questa simulazione della dinamica di rottura più grande di sempre di un terremoto potrebbe facilitare lo sviluppo di sistemi di allarme rapido più affidabili. I risultati della simulazione saranno presentati alla International Conference on High-Performance Computing, Rete, Archiviazione e analisi (SC 17) a Denver, Colorado, iniziata il 12 novembre.

Fare previsioni precise è praticamente impossibile

Nelle zone di subduzione - luoghi in cui le placche tettoniche si incontrano ai punti di giunzione nella crosta terrestre, con una placca che si muove sotto l'altra, i terremoti si verificano a intervalli regolari. Però, non è ancora noto con precisione in quali condizioni tali "terremoti di subduzione" possono causare tsunami o quanto grandi saranno tali tsunami.

I terremoti sono processi fisici molto complessi. Contrariamente ai processi meccanici che avvengono sul fronte di rottura, che avvengono su una scala di pochi metri al massimo, l'intera superficie terrestre sale e scende su un'area di centinaia di chilometri quadrati. Durante il terremoto di Sumatra, lo strappo nella crosta terrestre si è esteso per più di 1, 500 km (approssimativamente equivalente alla distanza da Monaco a Helsinki o da Los Angeles a Seattle) - la faglia di rottura più lunga mai vista. Entro 10 minuti, il fondale marino è stato spostato verticalmente dal terremoto di ben 10 metri.

Simulazione con oltre 100 miliardi di gradi di libertà

Per simulare l'intero terremoto, gli scienziati hanno coperto l'area che si estende dall'India alla Thailandia con una maglia tridimensionale composta da oltre 200 milioni di elementi e che incorpora più di 100 miliardi di gradi di libertà.

La dimensione degli elementi variava a seconda della risoluzione richiesta:lungo la faglia è stata utilizzata una maglia molto più fine per risolvere i complessi processi di attrito, e in superficie in modo da tener conto delle caratteristiche topografiche e delle onde sismiche di velocità relativamente bassa che vi si trovano. In aree con poca complessità e onde veloci, è stata impiegata una maglia più grossa.

Per calcolare il modello di propagazione delle onde sismiche, più di tre milioni di passi temporali dovevano essere calcolati sugli elementi più piccoli. Come dati di input, il team ha utilizzato tutte le informazioni disponibili sulla struttura geologica della zona di subduzione e le condizioni iniziali sul fondo marino, così come esperimenti di laboratorio sul comportamento di fratturazione della roccia.

Oltre all'ampio cosiddetto limite di placca megathrust, gli scienziati hanno considerato tre difetti di splay più piccoli, o difetti di ramificazione, sospettato di aver fortemente influenzato la deformazione provocata dallo tsunami del fondo oceanico.

Quasi 50 trilioni di operazioni

"Per rendere possibile terminare la simulazione su SuperMUC entro un ragionevole periodo di tempo, alla fine ci sono voluti cinque anni di preparativi per ottimizzare il nostro software di simulazione dei terremoti SeisSol. Solo due anni fa, il tempo di calcolo per la simulazione sarebbe stato 15 volte più lungo, " spiega Michael Bader, un professore di informatica alla TUM.

Tutti i componenti algoritmici, dall'input e output dei dati e dagli algoritmi numerici utilizzati per risolvere le equazioni fisiche fino all'implementazione parallela su migliaia di processori multicore, doveva essere ottimizzato per il SuperMUC.

La simulazione di Sumatra ha richiesto ancora quasi 14 ore di elaborazione su tutti gli 86, 016 core del SuperMUC, che ha eseguito quasi 50 trilioni di operazioni (quasi 1015 operazioni al secondo, o circa 1 petaflop/s – un terzo delle prestazioni di calcolo massime teoriche).

La più grande e più lunga simulazione di terremoti mai eseguita

"Abbiamo completato con successo la più grande simulazione di terremoto del suo genere mai vista, " dice il geofisico LMU Dr. Alice-Agnes Gabriel. "Con una durata di circa otto minuti, è anche il più lungo. Oltre a ciò, è stato il primo scenario in assoluto basato sulla fisica per un vero processo di rottura della subduzione. Con il calcolo simultaneo della complicata frattura di più segmenti di faglia e della propagazione sotto la superficie delle onde sismiche, abbiamo acquisito interessanti informazioni sui processi geofisici del terremoto".

In particolare, dice il dottor Gabriel, "Le colpe di splay, che possono essere immaginate come fratture pop-up lungo la nota trincea di subduzione, portato a brusco, lungo periodo, spostamenti verticali del fondale marino, e quindi ad un aumento del rischio tsunami. Attualmente, questa capacità di incorporare geometrie così realistiche in modelli fisici di terremoti è unica al mondo".