p Os vulcões do Havaí permanecem como sentinelas silenciosas. Eles guardam o segredo de como se formaram, a milhares de quilômetros de onde as bordas das placas tectônicas se chocam e geram magma para a maioria dos vulcões. A 2017 Natureza estudo de Jones et al. encontraram as melhores pistas da origem dos vulcões do Havaí por meio da simulação de uma mudança na placa do Pacífico há três milhões de anos. O que permanece indescritível é a evidência conclusiva de que existem plumas de manto. p As plumas são hipotetizadas, ressurgências em forma de cogumelo de rocha quente das profundezas da Terra. Supõe-se que eles se formem dentro da camada limite térmica na base do manto e carreguem calor do núcleo da Terra que gera o magma de um vulcão. Os cientistas já fizeram a melhor modelagem computacional já feita de plumas do manto, de acordo com um estudo disponibilizado online em janeiro de 2018 antes de sua revisão por pares e publicação em novembro de 2017 no American Geophysical Union's Journal of Geophysical Research, Terra Sólida .

p A equipe científica internacional mostrou, por meio de simulações de supercomputadores, pela primeira vez, detalhes de como as plumas desaceleram as ondas sísmicas e como as plumas aparecem em imagens tomográficas sísmicas do manto terrestre, a camada abaixo da crosta. O que mais, os pesquisadores dizem que seu trabalho pode ajudar a orientar futuros experimentos no fundo do oceano com imagens profundas da Terra e ajudar a chegar ao fundo de mistérios como a origem dos vulcões do Havaí.

p "Descobrimos que as plumas do manto são provavelmente mais desafiadoras para a imagem sismicamente do que reconhecemos anteriormente, "disse o autor principal do estudo, Ross Maguire, ex-aluno de doutorado recém-formado no departamento de Ciências da Terra e Ambientais da Universidade de Michigan. "Nossa imagem atual de plumas profundas do manto pode estar faltando, "Maguire disse, apontando para uma falta de cobertura de dados sísmicos.

p Imagens sísmicas podem ver estruturas rochosas milhares de quilômetros abaixo do solo, ouvindo os ecos dos terremotos. Redes de estações sísmicas situam-se no fundo do oceano e medem as diferenças no tempo de viagem das ondas sísmicas através da rocha, em essência, fazendo uma tomografia computadorizada das profundezas da Terra.

p "A fim de restringir o papel das plumas do manto na dinâmica da Terra, bem como compreender as causas do vulcanismo de pontos quentes, precisamos nos concentrar em aumentar a cobertura global de sensores sísmicos, particularmente nos oceanos, que atualmente só tem cobertura esparsa, "Maguire disse. As implantações oceânicas de sensores sísmicos são caras e difíceis de planejar e executar, ele adicionou.

p "Em nosso estudo, usamos modelagem de computador para encontrar cenários de imagem ideais, para que possamos recuperar o máximo de detalhes das plumas do manto com o menor custo, "Maguire disse." Esperamos que nossos resultados ajudem a orientar o projeto de futuras implantações sísmicas destinadas a obter imagens do manto abaixo dos pontos de acesso. "

p "O que provavelmente é novo neste trabalho é que combinamos, talvez pela primeira vez, modelos numéricos reais de como as plumas se formam e sobem na Terra com estimativas de sua estrutura sísmica ", disse o co-autor do estudo, Jeroen Ritsema, um professor do Departamento de Ciências da Terra e Ambientais da Universidade de Michigan.

p "Em segundo lugar, " ele adicionou, "também exploramos como várias configurações de rede podem mudar a maneira como estamos visualizando as plumas. Fizemos testes extensivos para descobrir as configurações ideais dos sismômetros na Terra para ver as plumas. Isso é particularmente importante para o Havaí, "Ritsema disse." O Havaí é um lugar onde acreditamos que haja uma pluma responsável pelo vulcanismo nas ilhas havaianas. Determinamos quais podem ser implantações offshore ideais no fundo do mar que podem levar às melhores imagens do manto profundo abaixo do Havaí. "

p “É um grande desafio computacional simular a propagação das ondas através das plumas do manto, "Maguire disse. Eles precisavam de códigos numéricos que resolvessem a equação da onda elástica no manto da Terra em altas frequências e em três dimensões." O que isso faz é que nos permite contabilizar com precisão os efeitos dos fenômenos de propagação das ondas, como a difração das ondas em torno das caudas das plumas , o que é muito importante para as plumas de imagem, "Maguire disse.

p XSEDE, o eXtreme Science and Engineering Discovery Environment, financiado pela National Science Foundation, forneceu recursos computacionais para a equipe científica por meio do acesso a supercomputadores e especialistas em como usá-los da melhor forma. "Não seríamos capazes de fazer este tipo de trabalho sem recursos de supercomputação como os fornecidos pelo XSEDE, "Maguire disse." Eles nos permitiram executar nossas simulações de propagação de ondas em centenas ou às vezes milhares de núcleos de computador em paralelo. "

p A equipe de ciência enfrentou os desafios impostos por seus requisitos de modelagem e usou um pacote de software de sismologia chamado SPECFEM 3D (GLOBE), que é um código de elemento espectral desenvolvido por Jeroen Tromp de Princeton e sua equipe que simula a propagação de ondas no interior da Terra. Eles usaram o supercomputador Stampede1 do Texas Advanced Computing Center por meio de uma alocação XSEDE que executou mais de 1,2 milhão de horas de núcleo no Stampede1 e continua com o sistema Stampede2. "Executamos esse código principalmente no Stampede1, e foi muito fácil configurar o código no Stampede1, já que todos os módulos e ferramentas que precisávamos para compilá-lo estavam imediatamente disponíveis, "Maguire disse.

p O gerenciamento do fluxo de trabalho se mostrou assustador, com muitas simulações que produziram centenas de gigabytes de dados. "A equipe XSEDE foi realmente útil para responder a todas as minhas perguntas sobre como posso otimizar meu fluxo de trabalho, por exemplo, como posso passar o mínimo de tempo esperando na fila para que meus trabalhos sejam executados; ou como posso transferir com eficiência grandes quantidades de Stampede para minha máquina local, "Maguire disse.

p Os pesquisadores também aproveitaram o programa XSEDE Campus Champions, o corpo docente e a equipe de tecnologia da informação do campus que são treinados e mantêm laços estreitos com o XSEDE. "O campeão do campus XSEDE, Brock Palen, da Universidade de Michigan, nos ajudou a responder a perguntas sobre quais tipos de recursos estão disponíveis por meio do XSEDE, e como podemos ter acesso a eles, "Maguire disse.

p Outro recurso útil, disse Maguire, foi o acesso a uma alocação no XSEDE Science Gateways por meio da Infraestrutura Computacional para Geodinâmica com a ajuda de Lorraine Wang. "O Science Gateways nos permitiu testar nosso código e realmente descobrir como nosso projeto seria computacionalmente exigente, "Maguire disse.

p Os pesquisadores usaram uma técnica exigente computacionalmente chamada tomografia sintética, que Maguire explicou foi essencialmente um teste de confiabilidade de quão bem os cientistas podem confiar na precisão das imagens do interior da Terra. "O que fazemos é simular a propagação de ondas sísmicas por meio de um modelo digital da Terra, que no nosso caso contém uma pluma de manto, "Maguire disse. Eles fazem isso com sismogramas virtuais, que são processados ​​como dados sísmicos reais para obter uma imagem da estrutura da pluma recuperada. "Isso realmente nos permite testar como uma pluma de manto seria fotografada tomograficamente e como suas características seriam borradas ou distorcidas, dependendo da configuração de imagem, "Maguire disse.

p "Nosso estudo se concentra principalmente nas caudas das plumas do manto inferior, porque é realmente uma das únicas maneiras de avançar em termos de resolver o debate sobre a existência de plumas do manto, "Maguire disse. Isso se relaciona com o vulcanismo de ponto quente, causado por um manto anormalmente quente fora dos limites das placas. As plumas do manto que se erguem do limite do núcleo interessam aos geocientistas porque desempenham um papel no orçamento total de calor da Terra, movendo o calor do núcleo para a superfície.

p "Plumas de manto inteiro, ou seja, plumas que se elevam do limite núcleo-manto, também são os mais desafiadores para obter imagens sismicamente porque nossa resolução é muito pobre no manto profundo e os condutos de pluma profundos são provavelmente finos, "Maguire disse.

p Os supercomputadores podem finalmente estar começando a lidar com questões científicas de longa data e ajudar a provocar novas questões. “Acho que o desafio continua em entender exatamente o que estamos procurando, "disse Ritsema." No trabalho de Maguire, definimos uma pluma de manto como uma ressurgência puramente térmica nas profundezas da Terra. Neste caso particular, a pluma é uma estrutura bastante estreita - tem uma cauda bastante estreita, com suas complicações na imagem. Mas houve outros trabalhos de outros grupos que, de fato, argumentaram que as plumas podem ser muito mais espessas do que as que investigamos em nosso trabalho. A própria natureza das plumas, se as plumas são puramente térmicas ou baseadas na temperatura, ou se há também um componente composicional para sua formação, são questões que agora estão sendo tratadas na geofísica, "Disse Ritsema.

p As demandas computacionais de simulações neste estudo de propagação de ondas limitaram o número de estruturas de pluma, que pode ter uma forma mais variada, Tamanho, composição, e temperatura do que apenas os casos de pluma térmica que eles consideraram.

p "Nosso estudo também é o primeiro a modelar a propagação de ondas através de plumas em frequências de até um décimo de hertz, "Maguire disse." Mas gostaríamos de ser capazes de empurrar isso ainda mais para ir para as frequências mais altas. E isso significa que será ainda mais um desafio computacional. À medida que as ferramentas numéricas que usamos se tornam mais eficientes, e à medida que mais clusters de computação de alto desempenho se tornam disponíveis, isso é algo que podemos conseguir no futuro. "

p Disse Maguire:"Compreender a dinâmica da Terra é de fundamental importância, porque todos nós vivemos aqui e somos afetados pelo que acontece sob nossos pés. A existência de plumas de manto e o papel que desempenham em nosso planeta ainda é um grande ponto de interrogação. Adicionalmente, plumas foram associadas a algumas das maiores erupções vulcânicas da história da Terra. E acredita-se que potencialmente desempenham um papel nos maiores eventos de extinção em massa que temos no registro geológico. Ainda há muito que não entendemos sobre eles. Fazer pesquisas para investigar a natureza das plumas do manto é de fundamental importância. "

p O estudo, "Avaliando a resolução de plumas de manto profundo em tomografia de tempo de viagem teleseismic, "foi publicado em janeiro de 2018 no American Geophysical Union's Journal of Geophysical Research : Terra Sólida .