Nowości

Program Petaquake wykorzystuje układy GPU do śledzenia fal sejsmicznych generowanych podczas trzęsienia ziemi
Petaquake

Jak widać na przykładzie tragedii, która miała miejsce w Japonii w 2011 roku pociągając za sobą liczne ofiary śmiertelne, trzęsienia ziemi mogą uderzać niespodziewanie, nawet na terenach, które nie wykazywały w przeszłości aktywności sejsmicznej. Chcąc efektywnie analizować zjawisko trzęsienia ziemi potrzebne są niezwykle precyzyjne symulacje uwzględniające szereg czynników, takich jak dostępne dane na temat trzęsień, ryzyko związane z danym regionem, geologiczne ukształtowanie terenu i przewidywany rodzaj uskoku. Dzięki tym informacjom można przewidzieć, w jakim stopniu naruszone zostaną poszczególne rejony.

Wyzwanie


Obecnie, do tworzenia opartych o zasady fizyki prognoz ruchów tektonicznych wykorzystuje się dynamiczne modele pęknięć skorupy ziemskiej powstających podczas trzęsienia ziemi. Modele te wymagają ogromnych ilości pamięci i mocy obliczeniowej, którą można uzyskać wyłącznie dzięki trudno dostępnym i zajmującym dużo miejsca wysokowydajnym superkomputerom. „Ciężko jest opracować prognozy, ponieważ ośrodek, w którym rozchodzą się drgania wywoływane trzęsieniem ziemi jest bardzo złożony,” powiedział dr Lapo Boschi, starszy specjalista do spraw badań Zespołu Sejsmologii i Geodynamiki Instytutu Geofizyki w Zurichu.

Rozwiązanie


Projekt Petaquake jest wynikiem współpracy badawczej sejsmologów (ETH Zurich) oraz informatyków/matematyków (Uniwersytet w Basel) mającej na celu dalszy rozwój metod doskonalenia obrazowania wnętrza Ziemi. Ich główną misją jest sprawienie, aby wiedza na temat przyszłych trzęsień ziemi była mniej przypadkowa oraz zwiększenie szansy wczesnego wykrycia zagrożenia.

Poprzez zdefiniowanie numerycznej siatki oraz ustalenie jak ciężka, elastyczna lub krucha jest gleba w każdym miejscu siatki, sejsmolodzy są w stanie stworzyć trójwymiarowy model skorupy ziemskiej w danym regionie i dokładnie obliczyć, jakie drgania podczas trzęsienia ziemi wytworzą się w każdym z segmentów na tym obszarze. Wykorzystując ogromne możliwości obliczeniowe jednostek GPU, naukowcy z programu Petaquake mogą śledzić fale sejsmiczne generowane podczas trzęsienia ziemi i sporządzać mapy trójwymiarowej struktury wewnętrznej Ziemi.

„Główna koncepcja jest analogiczna do mechanizmu działania tomografii komputerowej, jednak zamiast promieniowania elektromagnetycznego (rentgenowskiego) wykorzystujemy fale sprężyste (sejsmiczne)," powiedział dr Tarje Nissen-Meyers, starszy specjalista do spraw badań Zespołu Sejsmologii i Geodynamiki Instytutu Geofizyki w Zurichu. „Warto wiedzieć, co znajduje się pod miastem tak, aby wszelkie środki ostrożności mogły być podjęte już podczas budowy.” Informacja taka daje również możliwość utworzenia systemu wczesnego ostrzegania przed potencjalnie groźnymi przerwami w funkcjonowaniu np. szpitali i elektrowni, które znajdują się w grupie podwyższonego ryzyka.

Efekt


Rozwój technik trójwymiarowego modelowania struktur geologicznych, który jest niezbędny do jakiejkolwiek oceny trzęsienia ziemi, wymaga systemu propagacji fali w setkach milionów punktów siatki i wykonywania setek, a nawet tysięcy takich symulacji z wykorzystaniem zaawansowanych komputerów. Symulacje te dzięki układom GPU są realizowane o rząd wielkości szybciej, niż na jednostkach CPU, dzięki czemu rezultaty hipotetycznych trzęsień ziemi mogą być oceniane w sposób w pełni statystyczny. System wczesnego ostrzegania przed trzęsieniami ziemi opiera się na fakcie, iż najpoważniejsze zniszczenia nie są powodowane przez pierwsze fale wstrząsów, lecz dopiero przez późniejsze. Umożliwi to dużo lepsze zrozumienie unikalnych cech niektórych lokalizacji geograficznych i pozwoli urzędnikom miejskim odpowiednio rozplanować infrastrukturę poprzez wzmocnienie przepisów budowlanych i określenie potencjalnie niebezpiecznych przerw w funkcjonowaniu obiektów z grupy wysokiego ryzyka.

Oczekuje się, że algorytmy programu Petaquake uruchomione na układach GPU przyspieszą wielkoskalowe obliczenia o 10-40 razy. W przeszłości, projekty trwające dłużej, niż dwa lata były poza zasięgiem większości absolwentów, habilitantów czy stypendystów. Jednak dzięki wysokowydajnym układom GPU, badania, które wcześniej zajęłyby dwa lata, teraz są możliwe do wykonania w miesiąc sprawiając, że prace obliczeniowe są przystępne i wykonalne.

Układy GPU pozwalają również szybszą ocenę zniszczeń wywołanych przez trzęsienie ziemi, zaraz po wystąpieniu aktywności sejsmicznej. „Dzięki układom GPU jesteśmy w stanie ocenić trzęsienie ziemi w 15 minut zamiast 5 godzin," dodał dr Nissen-Meyers. Pierwsze godziny po trzęsieniu ziemi są kluczowe do poznania skali zniszczeń i zorganizowania pracy zespołów ratowniczych.

Program Petaquake nie umożliwia jeszcze przewidywania przyszłych trzęsień ziemi, ale pozwala zrozumieć mechanizm rozchodzenia się fal sejsmicznych, dzięki czemu możliwe jest oszacowanie skutków potencjalnych trzęsień ziemi i ocena ryzyka. Dodatkowo, program Petaquake jest w stanie skoncentrować się na analizie ogólnego efektu ruchów sejsmicznych na danym kontynencie.

Obecnie prowadzi się badania mające na celu lepsze zrozumienie ruchów tektonicznych w Europie, w których największą rolę odgrywają zderzenia płyt tektonicznych Afryki i Eurazji oraz próbuje się określić przyczynę dużej aktywności sejsmicznej we Włoszech i Grecji.