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Petaquake usa le GPU per seguire le onde generate dai terremoti
Petaquake

Come ha evidenziato il disastroso evento sismico del 2011 in Giappone, i terremoti possono colpire senza preavviso, anche in aree che non hanno una storia di attività sismica precedente. Per studiare con maggiore efficacia i terremoti, sono necessarie simulazioni di incredibile precisione che tengano conto di un gran numero di fattori, inclusi i dati noti sull’attività delle faglie, sul rischio regionale, sulla natura geologica del terreno e sul tipo di rottura previsto. Armati di questi dati, si possono sviluppare previsioni sui possibili eventi che interesseranno le diverse aree prese in esame.

Sfida


Gli attuali modelli di previsione del moto terrestre a base fisica si avvalgono di modelli dinamici delle fratture sismiche. Questi modelli richiedono una quantità enorme di memoria e di capacità di calcolo, generalmente disponibile solo usando supercomputer ad altissime prestazioni che, naturalmente, sono limitati per disponibilità e distribuzione. “Queste previsioni sono difficili da realizzare perché il mezzo attraverso il quale si propaga l’oscillazione generata da un terremoto, è estremamente complesso”, ha dichiarato Lapo Boschi, ricercatore di spicco del gruppo di sismologia e geodinamica dell’Istituto di geofisica di Zurigo.

Soluzione


Il progetto Petaquake è una collaborazione che coinvolge sismologi (ETH Zurich) e informatici/matematici (Università di Basilea), che punta a sviluppare nuovi metodi per affinare le immagini dell’interno della Terra. La principale missione di questo gruppo di ricerca è quella di ridurre le ipotesi nel campo dei terremoti e di migliorare di conseguenza le possibilità di previsione e avvertimento.

Definendo una griglia numerica e il valore di compattezza o friabilità del terreno in ciascuna posizione di questa griglia, i sismologi possono creare un modello tridimensionale della crosta terrestre in una regione specifica e calcolare con precisione il modo in cui ciascun segmento dell’area oscillerà durante un evento sismico. L’uso delle straordinarie capacità di elaborazione delle GPU permette a Petaquake di tracciare le onde generate dai terremoti per mappare la struttura tridimensionale interna della Terra.

“Il concetto è analogo a quello della tomografia medica, ma invece delle radiazioni elettromagnetiche (raggi X) utilizziamo radiazioni elastiche (onde sismiche)”, ha dichiarato Tarje Nissen-Meyers, ricercatore del gruppo di sismologia e geodinamica dell’Istituto di geofisica di Zurigo. “È utile sapere cosa si trova sotto una città, in modo da poter prendere le necessarie precauzioni durante la costruzione di nuovi edifici.” Queste informazioni permettono anche di modellare le fasi di avvertimento preventivo e prevedere cosa può accadere in caso di interruzione di attività ad alto rischio, come gli ospedali e le centrali elettriche.

Impatto


Il miglioramento della modellazione tridimensionale delle strutture geologiche, essenziale per qualsiasi valutazione sismica, richiede la soluzione di un sistema di propagazione di onde su una griglia con centinaia di milioni di punti. Questa simulazione va poi reiterata per centinaia di migliaia di volte su computer di grandi dimensioni. Queste simulazioni, che vengono eseguite su GPU con una rapidità di diversi ordini di grandezza superiore rispetto alle CPU, possono valutare i risultati di eventi sismici ipotetici in modo puramente statistico. L’allarme preventivo per gli eventi sismici sfrutta il principio secondo il quale i danni più gravi non vengono prodotti dalla prima oscillazione, ma da quelle successive. Questa soluzione porterà a una comprensione nettamente migliorata delle proprietà uniche di certe località geografiche, consentendo ai funzionari municipali di pianificare in modo appropriato le qualità minime delle nuove costruzioni e di identificare le interruzioni potenzialmente pericolose delle attività ad alto rischio.

Si prevede che l’esecuzione dei codici Petaquake su GPU acceleri i calcoli su larga scala dalle 10 alle 40 volte. In passato, progetti di durata superiore ai due anni sono sempre stati preclusi alla maggior parte dei corsi di dottorato e postdottorato, oltre a risultare difficilmente integrabili nei comuni cicli di finanziamento delle ricerche. Tuttavia, grazie alle GPU ad alte prestazioni, uno studio che prima avrebbe richiesto due anni ora può essere eseguito in un mese, un’agenda che rende la ricerca computazionale fattibile e finanziabile.

Le GPU inoltre consentono una più rapida valutazione dei danni dovuti agli eventi sismici. “Grazie alle GPU, siamo in grado di valutare l’oscillazione in 15 minuti invece che nelle canoniche 5 ore necessarie in precedenza”, ha proseguito Nissen-Meyers. Le ore immediatamente successive a un terremoto sono cruciali per capire la portata dei danni e organizzare nel modo migliore gli sforzi delle squadre di soccorso.

Sebbene Petaquake non sia ancora in grado di prevedere l’arrivo di un sisma, è però in grado di calcolare in modo realistico la propagazione delle onde sismiche per valutare l’effetto di potenziali eventi sismici futuri sul movimento terrestre e valutare i pericoli ad essi connessi. Inoltre, Petaquake è in grado di esaminare l’impatto complessivo dei movimenti sismici su un particolare continente.

Al momento sono in corso studi sull’Europa per capire meglio la dinamica tettonica della collisione tra le placche Africana e Eurasiatica, con l’obiettivo di definire la causa della rilevante sismicità di Italia e Grecia.