Il sud della California è cool. I climi perfetti di San Diego, lo sfarzo di Hollywood, la magia di Disneyland. La geologia è piuttosto spettacolare, anche.

"La California del sud è un ottimo laboratorio naturale per studiare i processi sismici attivi, " ha detto Tom Jordan, professore presso il Dipartimento di Scienze della Terra della University of Southern California (USC). "Il deserto ti permette di osservare molto bene il sistema di faglie."

Il sistema di faglie a cui si riferisce è il San Andreas, tra i sistemi di faglie più famosi al mondo. Con radici profonde in Messico, sfregia la California dal Salton Sea a sud fino a Capo Mendocino a nord, dove poi prende un tuffo ad ovest nel Pacifico.

Situato com'è nel cuore del sistema di faglie di Sant'Andrea, La California meridionale è un luogo ideale per studiare i terremoti. Il fatto che sia la patria di quasi 24 milioni di persone costituisce un motivo più urgente per studiarli.

Jordan e un team del Southern California Earthquake Center (SCEC) stanno utilizzando le risorse di supercalcolo dell'Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), una struttura per gli utenti dell'Ufficio delle scienze del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti (DOE), per avanzare modellistica per lo studio del rischio sismico e come ridurlo.

Con sede presso USC, il centro è una delle più grandi collaborazioni nel campo delle geoscienze, coinvolgendo oltre 70 enti di ricerca e 1, 000 investigatori da tutto il mondo.

Il team si basa su un secolo di dati provenienti da registrazioni strumentali e modelli nazionali di rischio sismico regionali e sismici per sviluppare nuovi strumenti per la comprensione dei rischi sismici. Lavorando con l'ALCF, ha usato queste informazioni per migliorare il suo simulatore di rottura del terremoto, RSQSim.

RSQ è un riferimento all'attrito dipendente dalla velocità e dallo stato nei terremoti, una legge di attrito che può essere utilizzata per studiare la nucleazione, o iniziazione, di terremoti. RSQSim modella sia i processi di nucleazione che di rottura per capire come i terremoti trasferiscono lo stress ad altre faglie.

Lo staff di ALCF è stato determinante nell'adattare il codice a Mira, il supercomputer da 10 petaflop dell'ALCF, che consente le simulazioni più ampie necessarie per modellare i comportamenti sismici in sistemi di faglie molto complessi, come Sant'Andrea, e che ha portato alla più grande scoperta del team.

La SCEC, in collaborazione con il Servizio Geologico degli Stati Uniti, aveva già sviluppato un modello basato empiricamente che integra teoria, informazioni geologiche e dati geodetici, come gli spostamenti GPS, per determinare le relazioni spaziali tra le faglie e i tassi di scorrimento delle placche tettoniche che hanno creato quelle faglie.

Sebbene più tradizionale, una versione più recente è considerata la migliore rappresentazione delle rotture del terremoto in California, ma l'immagine che ritrae non è ancora così accurata come sperano i ricercatori.

"Sappiamo molto su quanto possono essere grandi i terremoti, con quale frequenza si verificano e dove si verificano, ma non possiamo prevederli con precisione in tempo, " nota Giordano.

Il team si è rivolto a Mira per eseguire RSQSim per determinare se potesse ottenere risultati più accurati più rapidamente. Un codice basato sulla fisica, RSQSim produce cataloghi sintetici di terremoti a lungo termine che comprendono date, volte, posizione e magnitudo degli eventi previsti.

Usando la simulazione, i ricercatori impongono sollecitazioni su alcune rappresentazioni di un sistema di faglie, modificando lo stress in gran parte del sistema e quindi cambiando il modo in cui si verificano futuri terremoti. Cercare di modellare queste potenti interazioni mediate dallo stress è particolarmente difficile con sistemi complessi e faglie come San Andreas.

"Lasciamo semplicemente che il sistema si evolva e creiamo cataloghi di terremoti per centomila o un milione di anni. È come lanciare un granello di sabbia in una serie di ingranaggi per vedere cosa succede, " ha spiegato Christine Goulet, un membro del team e direttore scientifico esecutivo per progetti speciali con SCEC.

Il risultato finale è un quadro più dettagliato del possibile pericolo, che prevede una sequenza di terremoti di varia magnitudo che dovrebbero verificarsi sulla faglia di Sant'Andrea in un determinato intervallo di tempo.

Il gruppo ha cercato di calibrare i numerosi parametri di RSQSim per replicare il modello progettato dallo SCEC e dal Geological Survey degli Stati Uniti. Ma alla fine il gruppo ha deciso di eseguire il codice con i suoi parametri predefiniti. Mentre l'intento iniziale era quello di valutare l'entità delle differenze tra i modelli, Hanno scoperto, Invece, che entrambi i modelli concordavano strettamente sulle loro previsioni della futura attività sismologica.

"Quindi è stato un momento aha. Eureka, " ha ricordato Goulet. "I risultati sono stati una sorpresa perché il gruppo aveva pensato attentamente all'ottimizzazione dei parametri. La decisione di non modificarli rispetto ai valori predefiniti ha portato a risultati molto positivi."

I ricercatori hanno notato che la convalida reciproca dei due approcci potrebbe rivelarsi estremamente produttiva nell'ulteriore valutazione delle stime del rischio sismico e delle loro incertezze.

Le informazioni derivate dalle simulazioni aiuteranno il team a calcolare i forti movimenti del suolo generati dalle faglie che si verificano in superficie, il caratteristico scuotimento che è sinonimo di terremoti. Per fare questo, il team accoppia le previsioni di rottura del terremoto, lo SCEC-U.S. Codice del Servizio Geologico e RSQSim, con diversi modelli che rappresentano il modo in cui le onde si propagano attraverso il sistema. Questi modelli coinvolgono equazioni standard, chiamate equazioni di previsione del moto del suolo, utilizzato dagli ingegneri per calcolare i livelli di scuotimento da terremoti di diverse dimensioni e località.

"Questi esperimenti mostrano che il modello basato sulla fisica RSQSim può replicare le stime di pericolosità sismica derivate dal modello empirico, ma con molte meno ipotesi statistiche, " ha osservato Jordan. "L'accordo ci dà più fiducia che i modelli di pericolosità sismica per la California sono coerenti con ciò che sappiamo sulla fisica dei terremoti. Ora possiamo iniziare a utilizzare questa fisica per migliorare i modelli di rischio".