Cientistas em Munique concluíram a primeira simulação detalhada do terremoto de Sumatra que desencadeou um tsunami devastador no dia seguinte ao Natal de 2004. Os resultados oferecem novos insights sobre os processos geofísicos subjacentes.

O terremoto de Natal de 2004 na Sumatra-Andaman foi um dos eventos sísmicos mais poderosos e destrutivos da história. Isso desencadeou uma série de tsunamis, matando pelo menos 230, 000 pessoas. A seqüência exata de eventos envolvidos no terremoto permanece obscura.

Uma compreensão mais profunda dos processos geofísicos envolvidos está agora disponível, graças a uma simulação realizada por uma equipe de geofísicos, cientistas da computação e matemáticos da Universidade Técnica de Munique (TUM) e LMU Munique no supercomputador SuperMUC no Centro de Supercomputação Leibniz (LRZ) da Academia de Ciências da Baviera. A maior simulação da dinâmica de ruptura de um terremoto poderia facilitar o desenvolvimento de sistemas de alerta precoce mais confiáveis. Os resultados da simulação serão apresentados na Conferência Internacional de Computação de Alto Desempenho, Networking, Armazenamento e Análise (SC 17) em Denver, Colorado, que começou em 12 de novembro.

Previsão precisa é praticamente impossível

Em zonas de subducção - locais onde as placas tectônicas se encontram em fendas na crosta terrestre, com uma placa movendo-se abaixo da outra - terremotos ocorrem em intervalos regulares. Contudo, ainda não se sabe com precisão em que condições esses "terremotos de subducção" podem causar tsunamis ou qual o tamanho desses tsunamis.

Terremotos são processos físicos altamente complexos. Em contraste com os processos mecânicos que ocorrem na frente de ruptura, que ocorrem em uma escala de alguns metros no máximo, toda a superfície da Terra sobe e desce em uma área de centenas de quilômetros quadrados. Durante o terremoto de Sumatra, o rasgo na crosta terrestre se estendeu por mais de 1, 500 km (aproximadamente equivalente à distância de Munique a Helsinque ou Los Angeles a Seattle) - a falha de ruptura mais longa já vista. Em 10 minutos, o fundo do mar foi deslocado verticalmente pelo terremoto em até 10 metros.

Simulação com mais de 100 bilhões de graus de liberdade

Para simular todo o terremoto, os cientistas cobriram a área que se estende da Índia à Tailândia com uma malha tridimensional composta por mais de 200 milhões de elementos e incorporando mais de 100 bilhões de graus de liberdade.

O tamanho dos elementos variava de acordo com a resolução necessária:uma malha muito mais fina foi usada ao longo da falha para resolver os complexos processos de fricção, e na superfície para levar em conta as características topográficas e as ondas sísmicas de velocidade relativamente baixa encontradas lá. Em áreas com pouca complexidade e ondas rápidas, uma malha mais grossa foi empregada.

Para calcular o padrão de propagação da onda sísmica, mais de três milhões de etapas de tempo tiveram que ser computadas nos menores elementos. Como dados de entrada, a equipe utilizou todas as informações disponíveis sobre a estrutura geológica da zona de subducção e as condições iniciais do fundo do mar, bem como experimentos de laboratório sobre o comportamento de fraturamento de rochas.

Além do grande, chamado limite de placa de megaterrita, os cientistas consideraram três falhas splay menores, ou falhas de ramificação, suspeita de ter impactado fortemente a deformação do fundo do oceano que provocou o tsunami.

Quase 50 trilhões de operações

"Para tornar possível terminar a simulação no SuperMUC dentro de um período de tempo razoável, no final das contas, levou cinco anos de preparações para otimizar nosso software de simulação de terremoto SeisSol. Apenas dois anos atrás, o tempo de computação para a simulação teria sido 15 vezes maior, "explica Michael Bader, professor de informática na TUM.

Todos os componentes algorítmicos, desde a entrada e saída de dados e os algoritmos numéricos usados ​​para resolver as equações físicas até a implementação paralela em milhares de processadores multicore, teve que ser otimizado para o SuperMUC.

A simulação de Sumatra ainda demorou quase 14 horas de processamento em todos os 86, 016 núcleos do SuperMUC, que realizou quase 50 trilhões de operações (quase 1.015 operações por segundo, ou cerca de 1 petaflop / s - um terço do desempenho de computação máximo teórico).

A maior e mais longa simulação de terremoto já realizada

"Concluímos com sucesso a maior simulação de terremoto de seu tipo já vista, "diz a geofísica da LMU Dra. Alice-Agnes Gabriel." Com uma duração de cerca de oito minutos, também é o mais longo. Além disso, foi o primeiro cenário baseado na física para um processo real de ruptura por subducção. Com o cálculo simultâneo da fratura complicada de vários segmentos de falha e a propagação subterrânea de ondas sísmicas, obtivemos percepções interessantes sobre os processos geofísicos do terremoto. "

Em particular, diz o Dr. Gabriel, "As falhas splay, que podem ser imaginadas como fraturas pop-up ao longo da trincheira de subducção conhecida, levou a abrupta, longo período, deslocamentos verticais do fundo do mar, e, portanto, a um risco aumentado de tsunami. Atualmente, esta capacidade de incorporar tais geometrias realistas em modelos físicos de terremotos é única em todo o mundo. "