Νέες προσομοιώσεις σε υπολογιστές μπορεί να οδηγήσουν σε σύστημα πρόβλεψης των σεισμών

Από σελίδα της NASA, Ιούλιος 2003

Προηγμένα προγράμματα προσομοίωσης σε υπολογιστές, που αναπτύσσονται τώρα από τη NASA και  πανεπιστημιακούς ερευνητές, μπορούν σύντομα να δώσουν στους επιστήμονες νέες ιδέες στη σύνθετη και μυστήρια φυσική των σεισμών και να έτσι να βελτιώσουν αρκετά την πρόγνωση των σεισμών.

Ένα τμήμα της NASA, το Earth Science Enterprise, έχει αφιερωθεί στην κατανόηση της Γης ως ολοκληρωμένου συστήματος και εφαρμόζει τα πορίσματα της Γεωλογίας για να βελτιώσει την πρόβλεψη του κλίματος, του καιρού και των φυσικών κινδύνων. Με τη χρήση των δορυφόρων του διαστήματος.

Ένας αρχικός στόχος του προγράμματος της γήινης επιστήμης της NASA είναι η αξιολόγηση και ο μετριασμός των φυσικών κινδύνων. Το πρόγραμμα που αναπτύχθηκε, QuakeSim, υποστηρίζει το στόχο της δυνατότητας πρόβλεψης και της κάλυψης των κινδύνων των σεισμών.

Επιστήμονες στο Jet Propulsion Laboratory της NASA στη Πασαντένα της Καλιφόρνιας, μαζί με το Διαστημικό Κέντρο Πτήσεων Goddard της NASA, στο Greenbelt, το Ames Research Center στην Καλιφόρνια και διάφορα Πανεπιστήμια, αναπτύσσουν ένα προηγμένο μοντέλο προσομοίωσης, το λεγόμενο QuakeSim. Όταν ολοκληρωθεί στα τέλη του 2004, τα τρία βασικά εργαλεία της προσομοίωσης QuakeSim θα βοηθήσουν τους επιστήμονες να μάθουν πιο πολλά για το τι κάνει να συμβαίνουν οι σεισμοί.

Τα εργαλεία είναι βασισμένα στις πιο πρόσφατες τεχνολογίες. Παραδείγματος χάριν, ένα χρησιμοποιεί την πεπερασμένη ανάλυση στοιχείων, η οποία λύνει τα σύνθετα προβλήματα σπάζοντάς τα σε μικρά τμήματα.

Για το QuakeSim, τα πεπερασμένα στοιχεία είναι δεκάδες έως εκατοντάδες χιλιάδες μετρήσεων για το πώς ο γήινος φλοιός παραμορφώνεται κατά την μετακίνηση των γιγαντιαίων τεκτονικών πλακών. Οι μετρήσεις συλλέγονται και μέσω γήινων και δορυφορικών τεχνικών. Τα τελευταία περιλαμβάνουν το GPS (global positioning system) και ειδικά ραντάρ συμβολομετρίας (interferometric synthetic aperture radar), τα οποία μετρούν τις "ήρεμες" κινήσεις (μη-σεισμικές) που συνδέονται με τις τεκτονικές πλάκες και τον κύκλο του σεισμού.

Ο κύριος ερευνητής της Προσομοίωσης των Σεισμών, Andrea Donnellan του JPL, λέει ότι το QuakeSim είναι ένα ζωτικής σημασίας βήμα προς την ενδεχόμενη πρόβλεψη σεισμού.

"Η παραμόρφωση του γήινου φλοιού και της αλληλεπίδρασης μεταξύ των ρωγμών του σεισμού είναι μια σύνθετη τρισδιάστατη διαδικασία που συμβαίνει σε χρονικές κλίμακες από μερικά λεπτά έως χιλιάδες χρόνια", αναφέρει. "Για τη μελέτη τους απαιτούνται περίπλοκα μοντέλα προσομοίωσης και υψηλής απόδοσης υπερυπολογιστές. Η διαθεσιμότητα των δορυφορικών στοιχείων και η περιορισμένη σήμερα κατανόηση που έχουμε για τις διαδικασίες του σεισμού, κάνουν σήμερα αναγκαίο να αναπτυχθεί ένα σύστημα για τη μελέτη των διαδικασιών παραμόρφωσης όπως είναι οι τεκτονικές παραμορφώσεις, οι σεισμικές καθώς και οι ηφαιστειακές".

"Τα νέα μοντέλα των σεισμών που αναπτύσσονται κάτω από το QuakeSim αναμένονται να δημιουργήσουν τις μελλοντικές προβλέψεις των σεισμών, που θα χρησιμοποιηθούν από διάφορες ομοσπονδιακές και κρατικές αντιπροσωπείες για να αναπτύξουν κατάλληλα εργαλεία υποστήριξης των αποφάσεων, ώστε να  βοηθήσουν στον μετριασμό των απωλειών από τους μελλοντικούς μεγάλους σεισμούς", προσθέτει ο Donnellan.

Το QuakeSim περιλαμβάνει τρία σημαντικά εργαλεία προσομοίωσης. Αυτά είναι το Park, το Εικονική Καλιφόρνια (Virtual California) και το Geofest (Geophysical Finite Element Simulation Tool).

• Το Geofest δημιουργεί δισδιάστατα και τρισδιάστατα μοντέλα της δύναμης και της πίεσης στο γήινο φλοιό  και τον ανώτερο μανδύα σε μια σύνθετη γεωλογική περιοχή με πολλά αλληλεπιδρώντα συστήματα ρωγμών. Εμφανίζει πώς θα παραμορφωθεί το έδαφος όταν γίνει ένας σεισμός, πώς η παραμόρφωση αλλάζει μετά από έναν σεισμό, και τα καθαρά αποτελέσματα στο έδαφος από μια σειρά σεισμών. Θα αναλυθεί ολόκληρο το Νότιο σύστημα των ρωγμών της Καλιφόρνιας. Η προσομοίωση θα απαιτήσει την επίλυση εκατομμυρίων εξισώσεων από εκατοντάδες υπολογιστών.

• Το Park προσομοιώνει την χρονική εξέλιξη ενός σεισμού σε μια μοναδική, ασταθή ρωγμή. Μέχρι και 1.024 επεξεργαστές υπολογιστών θα χρησιμοποιηθούν σε παράλληλη σύνδεση για να λειτουργήσει αυτό το εργαλείο. Είναι βασισμένο στη σημερινή γνώση του ρυθμού μετακίνησης ή ολίσθησης και τριβής σε ένα πολύ καλά μελετημένο τμήμα της ρωγμής του Αγίου Ανδρέα στην Καλιφόρνια. Όμως αυτό είναι εφαρμόσιμο σε οποιαδήποτε ρωγμή ή πολλών ρωγμών. Το Park θα είναι το εργαλείο της επιλογής για τους ερευνητές που επιδιώκουν να καθορίσουν τη φύση και την ανιχνευσιμότητα των σημάτων προειδοποίησης του σεισμού. Θα καθορίσει με ποιο τρόπο κατανέμεται η πίεση πάνω από μια ρωγμή και πώς ανακατανέμεται από τους σεισμούς ή την "ήρεμη" σεισμική κίνηση. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για να υπολογίσει την ιστορία της ολίσθησης, την ταχύτητα της ολίσθησης και την πίεση σε μια ρωγμή.

• Εικονική Καλιφόρνια είναι ένας μαθηματικός κώδικας Monte Carlo που παράγει σεισμούς προσομοίωσης, ρεαλιστικούς, σε ένα αυθαίρετο πλέγμα ρωγμών επιφανείας. Χρησιμοποιεί τοπολογικά ρεαλιστικά δίκτυα  ανεξάρτητων τμήματα ρωγμών που εκτείνονται την περιοχή Καλιφόρνιας. Θα επιτρέπει στους επιστήμονες να καθορίσουν τα συσχετισμένα μοντέλα της δραστηριότητας, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να προβλέψουν το σεισμικό κίνδυνο, ειδικά για τους σεισμούς μεγέθους πάνω από 6.