Gelişmiş modelleme ve simülasyon kullanarak, depremler tarafından üretilen sismik veriler ve dünyanın en hızlı süper bilgisayarlarından biri olan bir bilim adamı ekibi, dünyanın iç mekanının detaylı 3 boyutlu bir resmini yaratıyor. Şu anda ekip, yüzeyi, 1,800 mil derinliğindeki çekirdek-manto sınırına kadar tüm dünyayı görüntülemeye odaklanmıştır.
Dünya’nın katmanlı bileşimi nedeniyle, bilim adamları iç mekanının temel düzenini bir soğanınkiyle karşılaştırmışlardır. Kıtaların ve okyanus katlarının tanıdık kabuğu var; Sıcak, yarı katı kaya kalın manto; Erimiş metal dış göbeği; Ve katı demir iç çekirdeği.
Ancak, bir soğandan farklı olarak, gezegen dinamiklerini daha iyi keşfetmek için Dünya katmanlarını soymak bir seçenek değildir; bilim insanlarını, gezegenimizin yüzey yaşamı gözlemlerine dayanan iç yaşamı hakkında tahminler yapmaya zorlar. Bununla birlikte, hesaplamalı bilim adamları tarafından geliştirilen akıllı görüntüleme teknikleri, Dünya’nın yeraltı sırlarını aydınlatmanın vaadini sunar.
Gelişmiş modelleme ve simülasyonu kullanarak, depremler tarafından üretilen sismik veriler ve dünyanın en hızlı süper bilgisayarlarından biri olan Princeton Üniversitesi’nden Jeroen Tromp liderliğindeki bir ekip, Dünya’nın iç mekanının detaylı bir 3 boyutlu resmini yaratıyor. Şu anda ekip, yüzeyi, 1,800 mil derinliğindeki çekirdek-manto sınırına kadar tüm dünyayı görüntülemeye odaklanmıştır.
Bu sadakat simülasyonları, tektonik plakalar, magma tüyleri ve sıcak noktalar gibi belirgin özelliklere sahip olan Dünya’nın jeolojik geçmişi ve dinamikleri ile ilgili devam eden tartışmalara bağlam sağlar. 2016 yılında ekip, birinci nesil global modelini piyasaya sürdü. Dünya çapında dağılmış sismogramlarla yakalanan 253 depremden elde edilen verileri kullanarak oluşturulan ekibin modeli, küresel kapsamı ve yüksek ölçeklenebilirliği açısından dikkat çekicidir.
Projenin eş etkili bir araştırmacısı olan Ebru Bozdağ, “Bu, sismik dalgaların Dünya’da nasıl geçtiği ve heterojenlikleri nasıl hissettiğini simüle etmek için seçilen sayısal yöntem dışında başka yaklaşımların kullanılmadığı ilk küresel sismik modeldir” dedi. Nice Sophia Antipolis Üniversitesi’nde jeofizikte yardımcı doçent. “Bu, sismoloji topluluğunun kilometre taşı: İlk kez, insanlara bu tür araçları küresel sismik görüntüleme için kullanmanın değerini ve fizibilitesini gösterdik.”
Projenin oluşumu 1980’lerde ilk önerilen bir sismik görüntüleme teorisine kadar izlenebilir. Sismik veri haritalarındaki boşlukları doldurmak için, teori, adjoint tomografi denilen, yinelemeli tam dalga formu ters çevirme tekniğini önerdi. Bu teknik, deprem kökeninden sismik alıcıya ilerleyen ileri dalgaları ve alıcıdan depreme giden matematiksel olarak türetilen dalgalar olan adjoint dalgaları kullanarak rakip yöntemlerden daha fazla bilgi kullanır.
Bu teoriyi test etmekle ilgili sorun mu var? Bozdağ, “Bunu yapmak için gerçekten büyük bilgisayarlara ihtiyacınız var” diyen Bozdag, “ileri ve ardışık dalga simülasyonları, sayısal olarak 3 boyutlu olarak gerçekleştiriliyor” dedi.
2012’de, böyle bir makine, ABD Enerji Bakanlığı (DOE) Oak Ridge Liderlik Hesaplama Tesisi (OLCF) tarafından yönetilen 27-petaflop Cray XK7, DOE Bilim Ofisi Kullanıcı Tesisinin bulunduğu Titan süper bilgisayarı biçiminde geldi. DOE’nin Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı. Yöntemini küçük makinelerde denedikten sonra, Tromp ekibi Teori ve Deney üzerine Yenilikçi ve Yeni Hesaplamalı Etki veya INCITE programı aracılığıyla 2013’te Titan’a erişti.
Ekibimiz, OLCF personeli ile birlikte çalışarak, hesaplamalı sismolojinin sınırlarını daha derine inmeye devam ediyor.
Sismik dilimleri birbirine dikmek
Bir deprem olduğunda, enerjinin serbest bırakılması, sismik dalgalar oluşturarak yüzeydeki yaşam için sıklıkla hasar yaratır. Bununla birlikte, aynı dalgalar, bilim adamlarının Dünya’dan geçen titreşimleri ölçerek yeraltı alanına girmelerine fırsat tanıyor.
Sismik dalgalar seyahat ederken, sismogramlar hızlarındaki değişimleri tespit edebilir. Bu değişiklikler, dalganın geçtiği ortamın bileşimi, yoğunluğu ve sıcaklığı hakkında ipucu verir. Örneğin, dalgalar, sıcak mağaradan geçerken, manto tabakaları ve sıcak noktalardan geçerken, soğuk alüvyon bölgelerinden geçerken, bir tektonik plakanın diğerinin altına kaytığı yerlerde geçerken daha yavaş hareket eder.
Her sismogram, gezegenin iç kısmının dar bir dilimini temsil eder. Birçok sismogramı bir araya getirerek, araştırmacılar, Ateş Zincirini besleyen magma plumlarından Yellowstone’un sıcak noktalarına, Yeni Zelanda altındaki tabakalara kadar her şeyi yakalayan 3 boyutlu bir global görüntü üretebilirler.
Sismik tomografi adı verilen bu süreç, tıpta kullanılan görüntüleme tekniklerine benzer bir şekilde çalışır; burada birçok perspektiften alınan 2 boyutlu x-ışını görüntüleri, vücut içindeki alanların 3-boyutlu görüntüleri oluşturmak için birleştirilir.
Geçmişte, sismik tomografi teknikleri, kullanabilecekleri sismik veri miktarında sınırlıydı. Geleneksel yöntemler, araştırmacıları dalga simülasyonlarında yaklaşık değer üretmeye ve gözlem verilerini sadece büyük sismik evreler ile sınırlamaya zorladı. Tromp ekibi tarafından kullanılan 3 boyutlu sayısal simülasyonlara dayalı ek tomografi bu şekilde sınırlandırılmamıştır. Bozdag, “Verilerin hepsini kullanabiliriz – her şey ve her şey olabilir” dedi.
SPECFEM3D_GLOBE kodunun GPU sürümünü çalıştıran Tromp ekibi, Titan’ı küresel ölçekte tam dalga formu ters çevirme uygulamak için kullandı. Ekip, daha sonra, bu “sentetik sismogram” ları, Sismoloji için Kurumlar Araştırma Enstitülerince (IRIS) sağlanan gözlem sismik verileri ile karşılaştırarak farkı hesaplayıp daha ileri optimizasyon için bu bilgiyi modele geri besler. Bu işlemin her tekrarlanması küresel modelleri geliştirir.
Bozdağ, “Bu, adjoint tomografi iş akışı olarak adlandırdığımız şey ve global ölçekte Titan gibi bir süper bilgisayarın makul bir zaman dilimi içerisinde yürütülmesini gerektiriyor” dedi. “Birinci nesil modelimiz için, bu tür sorunlar için az sayıda 15 iterasyon tamamladık, az sayıda tekrarlamaya rağmen gelişmiş global modelimiz yaklaşımımızın gücünü gösteriyor ancak bu sadece bir başlangıç. “Dedi.
Artırmak için otomatikleştirme
İlk global modeli için Tromp ekibi, deprem yoğunluğunu ölçmek için bir standart olan Richter ölçeğinde 5.8 ila 7. arasında kaydedilen deprem olaylarını seçti. Bu aralık IRIS veritabanında 6.000’den fazla depremi de içerecek şekilde genişletilebilir – orijinal modelde kullanılan verinin yaklaşık 20 katı.
Mevcut tüm verileri en iyi şekilde kullanmak, ekibin yinelemeli işlemini hızlandıracak güçlü bir otomatik iş akışı gerektirir. OLCF personeli ile birlikte çalışan Tromp ekibi, bu amaca yönelik ilerleme kaydetti.
Ekibin birinci nesil modeli için Bozdağ, iş akışının her adımını manuel olarak gerçekleştirdi; bir model güncellemesini tamamlamak için yaklaşık bir ay geçti. Takım üyeleri Matthieu Lefebvre, Princeton Üniversitesi’nden Wenjie Lei ve Youyi Ruan ve OLCF’den Judy Hill, bu döngüyü birkaç gün içinde azaltma sözü veren yeni otomatik iş akışı süreçleri geliştirdiler.
Bozdağ, “Otomasyon gerçekten daha verimli hale gelecek ve insan hatalarını da azaltacaktır, ki bu da tanıtlamak oldukça kolay” dedi.
OLCF personelinden ek destek, proje verisinin etkin kullanımı ve erişilebilirliğine katkıda bulunmuştur. Projenin başlangıcında Tromp ekibi, veri hareketini ve esnekliği artırmak için OLCF Norbert Podhorszki ile birlikte çalıştı. Uyarlanabilir Sismik Veri Biçimi (ASDF) olarak adlandırılan sonuç, Uyarlanabilir G / Ç Sistemi (ADIOS) paralel kitaplığını güçlendirir ve Tromp ekibine, geniş ölçekli paralel bilgi işlem kaynakları üzerindeki verileri kaydetmek, çoğaltmak ve analiz etmek için üstün bir dosya formatı verir.
Buna ek olarak, OLCF’nin David Pugmire ekibinin yerinde görselleştirme araçlarına yardımcı olmasına yardımcı oldu. Bu araçlar, ekip üyelerinin Titan’daki simülasyonla birlikte görselleştirmelerin üretilmesine izin vererek maliyetli dosya aktarımlarına olan ihtiyacı ortadan kaldırarak yerel iş istasyonlarından daha kolay çalışmalarını kontrol etmesini sağladı.
Bazda şeytanın ayrıntıları var, bu yüzden dikkatli olmalısınız ve neye baktığınızı bilmelisiniz “dedi. “David’in görselleştirme araçları, modellerimizi araştırmamıza ve nelerin orada olduğunu ve neyin olmadığını anlamamıza yardımcı oluyor.”
Görselleştirme ile ekibin projesinin büyüklüğü ortaya çıkıyor. Çekirdek manto sınırından yükselen ve kabuktan düşen – bir lav lambasındaki globüllerin hareketinin aksine – erimiş kayaçın milyar yıllık döngüsü form alır ve diğer jeolojik özelliklerin de ilgisi vardır.
Bu aşamada, takımın küresel modelinin kararlılığı, özellikle yoğun veri kapsayan bölgelerde kıtasal çalışmaları bilgilendirmek için yeterince gelişmiş hale gelmektedir. Güney Kaliforniya’nın altındaki manto etkinliği ya da İstanbul’un depreme dayanıklı yüzeyi gibi bölgesel düzeyde daha düşük seviyede olmasını sağlamak için ek işler gerekecektir.
Bozdağ, “Sismolojideki çoğu küresel model, büyük ölçeklerde hemfikir, ancak daha küçük ölçeklerde birbirinden önemli derecede farklı” dedi. “Bu nedenle, yeryüzünün daha doğru bir görüntüsünün olması çok önemlidir, mantoda yüksek çözünürlüklü görüntüler oluşturmak bu tartışmalara katkıda bulunmamızı sağlayacaktır.”
Derin kazma
Doğruluk ve çözünürlüğü daha da artırmak için Tromp’un ekibi en yeni INCITE tahsisi altında model parametreleri deniyor. Örneğin, ekibin ikinci nesil modeli, mantodaki farklı yönleri ve kaya hareketini daha iyi yakalayan hesaplamalar olan anizotropik dönüşümleri başlatacak. Bu yeni bilgi, bilim insanlarına manto akışı, bileşimi ve kabuk-manto etkileşimlerini daha net bir şekilde anlatmalıdır.
Buna ek olarak, Fransa’daki Aix-Marsilya Üniversitesi’nden ekip üyeleri Dimitri Komatitsch ve Suudi Arabistan’daki King Abdullah Üniversitesi’nden Daniel Peter, SPECFEM3D_GLOBE’yi daha yüksek frekanslı sismik dalgaların simülasyonu gibi yetenekleri birleştirmek için geliştirmeye yönelik çabaları gösteriyor. Hertz cinsinden ölçülen bir sismik dalganın frekansı, bir saniyedeki sabit bir noktadan geçen dalga sayısıyla eşdeğerdir. Örneğin, ekibin simülasyonunda kullanılan minimum minimum frekans 0.05 hertz (20 saniye başına 1 dalga), ancak Bozdag ekibin 1 hertz (saniyede 1 dalga) kadar sismik dalgalar da eklemek istediğini belirtti. Bu, ekibin Dünya’nın manto’sundaki daha ince detayları modellemesine ve hatta Earth’ün çekirdeğini haritalamasına izin verecekti.
Bu sıçramayı yapmak için Tromp’un ekibi, OLCF’nin yeni nesil süper bilgisayarı Zirve’ye hazırlanıyor. Zirvede, 2018 yılına erişmek için kurulan Titan’ın bilgi işlem gücünün en az beş katı sağlanacak. Hızlandırılmış Uygulama Hazırlığı Merkezi için OLCF’nin bir parçası olan Tromp ekibi, varışta Summit’in bilgi işlem gücünden yararlanmak için OLCF personeli ile birlikte çalışmaktadır.
Bozdağ, “Zirveyle çekirdeği de kapsayacak şekilde, tüm dünyayı, kabuğundan merkezin merkezine kadar görüntüleyebileceğiz” dedi. “Yöntemlerimiz pahalı – bunları gerçekleştirmek için süper bir bilgisayara ihtiyacımız var – ancak sonuçlar bu masrafların gerekçelendirildiğini gösteriyor.”
Kaynak:
DOE / Oak Ridge Ulusal Laboratuarı
