Por causa da composição em camadas da Terra, os cientistas muitas vezes compararam o arranjo básico de seu interior ao de uma cebola. Há a familiar crosta fina de continentes e leitos oceânicos; o manto espesso de quente, rocha semissólida; o núcleo externo de metal fundido; e o núcleo interno de ferro sólido.

Mas ao contrário de uma cebola, descascar as camadas da Terra para explorar melhor a dinâmica planetária não é uma opção, forçando os cientistas a fazer suposições fundamentadas sobre a vida interior de nosso planeta com base em observações no nível da superfície. Técnicas de imagem inteligentes desenvolvidas por cientistas da computação, Contudo, oferecem a promessa de iluminar os segredos subterrâneos da Terra.

Usando modelagem e simulação avançadas, dados sísmicos gerados por terremotos, e um dos supercomputadores mais rápidos do mundo, uma equipe liderada por Jeroen Tromp, da Universidade de Princeton, está criando uma imagem 3D detalhada do interior da Terra. Atualmente, a equipe está focada na geração de imagens de todo o globo, da superfície até a fronteira núcleo-manto, uma profundidade de 1, 800 milhas.

Essas simulações de alta fidelidade adicionam contexto aos debates em andamento relacionados à história e dinâmica geológica da Terra, trazendo características proeminentes como placas tectônicas, plumas de magma, e pontos de acesso à vista. Em 2016, a equipe lançou seu modelo global de primeira geração. Criado usando dados de 253 terremotos capturados por sismogramas espalhados pelo mundo, o modelo da equipe se destaca por seu escopo global e alta escalabilidade.

"Este é o primeiro modelo sísmico global em que nenhuma aproximação - além do método numérico escolhido - foi usada para simular como as ondas sísmicas viajam pela Terra e como elas detectam heterogeneidades, "disse Ebru Bozdag, um co-investigador principal do projeto e um professor assistente de geofísica na Universidade de Nice Sophia Antipolis. "É um marco para a comunidade sismológica. Pela primeira vez, mostramos às pessoas o valor e a viabilidade de executar esses tipos de ferramentas para imagens sísmicas globais. "

A gênese do projeto pode ser rastreada até uma teoria de imagem sísmica proposta pela primeira vez na década de 1980. Para preencher as lacunas nos mapas de dados sísmicos, a teoria postulou um método chamado tomografia adjuvante, uma técnica iterativa de inversão de forma de onda completa. Esta técnica aproveita mais informações do que métodos concorrentes, usando ondas diretas que viajam desde a origem do terremoto até o receptor sísmico e ondas adjacentes, que são ondas derivadas matematicamente que viajam do receptor até o terremoto.

O problema de testar essa teoria? "Você precisa de computadores realmente grandes para fazer isso, "Bozdag disse, "porque as simulações de onda direta e adjacente são realizadas em 3-D numericamente."

Em 2012, exatamente essa máquina chegou na forma do supercomputador Titan, um Cray XK7 de 27 petaflop gerenciado pelo Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) do Departamento de Energia dos EUA (DOE), um DOE Office of Science User Facility localizado no Oak Ridge National Laboratory do DOE. Depois de experimentar seu método em máquinas menores, A equipe de Tromp ganhou acesso ao Titan em 2013 por meio do Inovador e inovador impacto computacional em teoria e experimento, ou INCITE, programa.

Trabalhando com a equipe OLCF, a equipe continua a levar os limites da sismologia computacional a profundidades mais profundas.

Costurando fatias sísmicas

Quando ocorre um terremoto, a liberação de energia cria ondas sísmicas que muitas vezes causam estragos na vida na superfície. Essas mesmas ondas, Contudo, apresentam uma oportunidade para os cientistas examinarem a subsuperfície medindo as vibrações que passam pela Terra.

Conforme as ondas sísmicas viajam, sismogramas podem detectar variações em sua velocidade. Essas mudanças fornecem pistas sobre a composição, densidade, e a temperatura do meio pelo qual a onda está passando. Por exemplo, as ondas se movem mais devagar ao passar pelo magma quente, como plumas de manto e pontos quentes, do que quando passam por zonas de subducção mais frias, locais onde uma placa tectônica desliza sob a outra.

Cada sismograma representa uma fatia estreita do interior do planeta. Ao costurar muitos sismogramas, os pesquisadores podem produzir uma imagem global 3-D, capturando tudo, desde plumas de magma alimentando o Anel de Fogo, aos pontos quentes de Yellowstone, para placas subduzidas sob a Nova Zelândia.

Este processo, chamada tomografia sísmica, funciona de maneira semelhante às técnicas de imagem empregadas na medicina, onde imagens de raios-X 2-D tiradas de muitas perspectivas são combinadas para criar imagens 3-D de áreas dentro do corpo.

No passado, As técnicas de tomografia sísmica têm sido limitadas na quantidade de dados sísmicos que podem usar. Os métodos tradicionais forçaram os pesquisadores a fazer aproximações em suas simulações de ondas e restringir os dados observacionais apenas às principais fases sísmicas. A tomografia adjunta baseada em simulações numéricas 3-D empregadas pela equipe de Tromp não é restrita desta forma. "Podemos usar todos os dados - tudo e qualquer coisa, "Bozdag disse.

Executando sua versão GPU do código SPECFEM3D_GLOBE, A equipe de Tromp usou o Titan para aplicar a inversão de forma de onda completa em uma escala global. A equipe então comparou esses "sismogramas sintéticos" com dados sísmicos observados fornecidos pelas Instituições de Pesquisa Incorporadas para Sismologia (IRIS), calcular a diferença e alimentar essas informações de volta no modelo para otimização posterior. Cada repetição desse processo melhora os modelos globais.

"Isso é o que chamamos de fluxo de trabalho de tomografia adjuvante, e em uma escala global, exige que um supercomputador como o Titan seja executado em um prazo razoável, "Bozdag disse." Para nosso modelo de primeira geração, completamos 15 iterações, que na verdade é um número pequeno para esses tipos de problemas. Apesar do pequeno número de iterações, nosso modelo global aprimorado mostra o poder de nossa abordagem. Isto é apenas o começo, Contudo."

Automatizando para aumentar

Para seu modelo global inicial, A equipe de Tromp selecionou eventos de terremoto registrados entre 5,8 e 7 na escala Richter - um padrão para medir a intensidade do terremoto. Esse intervalo pode ser estendido ligeiramente para incluir mais de 6, 000 terremotos no banco de dados IRIS - cerca de 20 vezes a quantidade de dados usada no modelo original.

Obter o máximo de todos os dados disponíveis requer um fluxo de trabalho automatizado robusto, capaz de acelerar o processo iterativo da equipe. Colaborando com a equipe do OLCF, A equipe de Tromp progrediu em direção a esse objetivo.

Para o modelo de primeira geração da equipe, Bozdag executou cada etapa do fluxo de trabalho manualmente, levando cerca de um mês para concluir uma atualização do modelo. Membros da equipe Matthieu Lefebvre, Wenjie Lei, e Youyi Ruan da Princeton University e Judy Hill do OLCF desenvolveram novos processos de fluxo de trabalho automatizados que prometem reduzir esse ciclo para uma questão de dias.

"A automação realmente o tornará mais eficiente, e também reduzirá o erro humano, que é muito fácil de apresentar, "Bozdag disse.

O apoio adicional da equipe do OLCF contribuiu para o uso eficiente e acessibilidade dos dados do projeto. No início da vida do projeto, A equipe de Tromp trabalhou com Norbert Podhorszki do OLCF para melhorar a movimentação e flexibilidade de dados. O resultado final, chamado Adaptable Seismic Data Format (ASDF), alavanca a biblioteca paralela Adaptable I / O System (ADIOS) e dá à equipe de Tromp um formato de arquivo superior para gravar, reproduzir, e analisar dados em recursos de computação paralela em grande escala.

Além disso, David Pugmire, do OLCF, ajudou a equipe a implementar ferramentas de visualização in situ. Essas ferramentas permitiram que os membros da equipe verificassem seu trabalho com mais facilidade nas estações de trabalho locais, permitindo que as visualizações fossem produzidas em conjunto com a simulação no Titan, eliminando a necessidade de transferências de arquivos caras.

"Às vezes o diabo está nos detalhes, então você realmente precisa ter cuidado e saber o que está olhando, "Bozdag disse." As ferramentas de visualização de David nos ajudam a investigar nossos modelos e ver o que existe e o que não existe. "

Com a visualização, a magnitude do projeto da equipe vem à tona. O ciclo de bilhões de anos de rocha derretida subindo do limite núcleo-manto e caindo da crosta - não muito diferente do movimento dos glóbulos em uma lâmpada de lava - toma forma, assim como outras características geológicas de interesse.

Nesta fase, a resolução do modelo global da equipa está a tornar-se suficientemente avançada para informar os estudos continentais, particularmente em regiões com densa cobertura de dados. Tornando-o útil em nível regional ou menor, como a atividade do manto abaixo do sul da Califórnia ou a crosta de Istambul, sujeita a terremotos, exigirá trabalho adicional.

"A maioria dos modelos globais em sismologia concordam em grandes escalas, mas diferem entre si significativamente em escalas menores, "Bozdag disse." É por isso que é crucial ter uma imagem mais precisa do interior da Terra. A criação de imagens de alta resolução do manto nos permitirá contribuir com essas discussões. "

Indo mais fundo

Para melhorar ainda mais a precisão e a resolução, A equipe de Tromp está experimentando parâmetros de modelo em sua alocação INCITE mais recente. Por exemplo, o modelo de segunda geração da equipe introduzirá inversões anisotrópicas, que são cálculos que melhor capturam as diferentes orientações e movimentos da rocha no manto. Esta nova informação deve dar aos cientistas uma imagem mais clara do fluxo do manto, composição, e interações crosta-manto.

Adicionalmente, os membros da equipe Dimitri Komatitsch da Aix-Marseille University na França e Daniel Peter da King Abdullah University na Arábia Saudita estão liderando os esforços para atualizar o SPECFEM3D_GLOBE para incorporar recursos como a simulação de ondas sísmicas de alta frequência. A frequência de uma onda sísmica, medido em Hertz, é equivalente ao número de ondas que passam por um ponto fixo em um segundo. Por exemplo, a frequência mínima atual usada na simulação da equipe é de cerca de 0,05 hertz (1 onda por 20 segundos), mas Bozdag disse que a equipe também gostaria de incorporar ondas sísmicas de até 1 hertz (1 onda por segundo). Isso permitiria à equipe modelar detalhes mais sutis no manto da Terra e até mesmo começar a mapear o núcleo da Terra.

Para dar esse salto, A equipe de Tromp está se preparando para a Summit, o supercomputador de próxima geração do OLCF. Previsto para chegar em 2018, A Summit fornecerá pelo menos cinco vezes o poder de computação do Titan. Como parte do Centro de Preparação Acelerada de Aplicativos do OLCF, A equipe de Tromp está trabalhando com a equipe OLCF para aproveitar as vantagens do poder de computação da Summit na chegada.

"Com a Summit, seremos capazes de obter imagens de todo o globo, desde a crosta até o centro da Terra, incluindo o núcleo, "Bozdag disse." Nossos métodos são caros - precisamos de um supercomputador para executá-los - mas nossos resultados mostram que essas despesas são justificadas, até mesmo necessário. "