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Petaquake utiliza las GPU para simular las ondas generadas por los terremotos
Petaquake

Como demostró la terrible tragedia de Japón en 2011, pueden producirse terremotos en regiones sin antecedentes de actividad sísmica. Para estudiar los movimientos de la corteza terrestre con mayor efectividad, es necesario utilizar simulaciones extraordinariamente precisas que tengan en cuenta gran número de factores, entre ellos, los datos de las fallas, el riesgo sísmico de la región, los datos geológicos del terreno y el tipo de ruptura previsto. Con estos datos en la mano, es posible realizar predicciones sobre la forma en que los terremotos afectarán a las diferentes zonas geográficas.

El reto


Los actuales sistemas de predicción de los movimientos sísmicos utilizan modelos basados en la dinámica de las rupturas producidas en los terremotos. Estos modelos requieren enormes cantidades de memoria y capacidad de procesamiento que sólo están disponible en superordenadores de alto rendimiento a los que no siempre es posible acceder. Según el Doctor Lapo Boschi, investigador senior del Grupo de Sismología y Geodinámica del Instituto de Geofísica de Zurich, “Estas predicciones son difíciles de realizar debido a que el medio a través del cual se propagan las ondas generadas por el terremoto es muy complejo”.

La solución


Petaquake es un proyecto de investigación conjunta en el que colaboran sismólogos del ETH Zurich y matemáticos/científicos computacionales de la Universidad de Basilea con el fin de buscar nuevos métodos para obtener imágenes más exactas del interior de la Tierra. Su objetivo principal es reducir las incertidumbres sobre futuros terremotos y mejorar las posibilidades de detección y alerta tempranas.

Definiendo una malla numérica y la naturaleza del suelo (duro, flexible, quebradizo...) en cada punto de la malla, los sismólogos pueden crear un modelo tridimensional de la corteza terrestre en una región concreta y calcular con exactitud cómo oscilará cada segmento de ese área durante un terremoto. Gracias a la potencia de las GPU, Petaquake puede seguir el recorrido de las ondas sísmicas generadas por los terremotos para trazar un mapa 3D del interior de la Tierra.

“El concepto es similar al de la tomografía en medicina, sólo que, en lugar de utilizar radiaciones electromagnéticas (rayos x), utilizamos radiación elástica (ondas sísmicas)”, explica el Doctor Tarje Nissen-Meyers, investigador senior del Grupo de Sismología y Geodinámica del Instituto de Geofísica de Zurich. “Es útil saber cómo está formado el subsuelo de una ciudad para poder tomar las precauciones necesarias a la hora de edificar”. Además, esta información permite crear modelos de detección temprana que predigan interrupciones potencialmente peligrosas de actividades de alto riesgo como son las de los hospitales o las centrales eléctricas.

El resultado


Para mejorar la representación de las estructuras geológicas en 3D, algo esencial para evaluar el riesgo de sismos, es necesario resolver un sistema de propagación de ondas que incluye millones de puntos de la malla a través de cientos o incluso miles de simulaciones realizadas en grandes ordenadores. Estas simulaciones, que se ejecutan varios órdenes de magnitud más rápido en las GPU que en las CPU, pueden utilizar métodos estadísticos para evaluar los resultados de hipotéticos terremotos. Las alertas tempranas aprovechan el hecho de que los daños más graves no se producen con la llegada de la primera onda sísmica, sino con las siguientes. Esto conducirá a una mejor comprensión de las características exclusivas de determinadas zonas geográficas y permitirá a las autoridades competentes elaborar las normas de edificación más apropiadas, así como identificar interrupciones potencialmente peligrosas de las actividades de alto riesgo.

Se estima que los códigos de Petaquake se ejecutarán entre 10 y 40 veces más rápido en las GPU. En el pasado, los proyectos de más de dos años de duración solían quedar fuera de los plazos de la mayoría de los programas de financiación de becas de posgrado o posdoctorado. Sin embargo, gracias al alto rendimiento de las GPU, un estudio que antes tardaba dos años, ahora puede realizarse en un mes, un plazo que convierte la investigación computacional en algo factible y asequible.

A esto se añade que las GPU también agilizan la evaluación de los daños producidos tras un seísmo. En palabras de Nissen-Meyers, “Con las GPU podemos evaluar las consecuencias del temblor en 15 minutos en lugar de 5 horas”. Las horas que siguen a un terremoto son críticas para comprender el alcance de los daños y, de esta forma, organizar mejor los recursos de salvamento.

Aunque Petaquake aún no tiene capacidad para predecir terremotos en el futuro, sí puede reproducir con realismo el proceso de propagación de las ondas sísmicas para determinar el efecto de posibles movimientos de tierra y sus riesgos. Asimismo, puede analizar el impacto global de un movimiento sísmico en un determinado continente.

En la actualidad, se está estudiando Europa con el objetivo de conocer mejor los movimientos tectónicos que se producen por la colisión entre las placas africana y euroasiática, e identificar la causa de la alta sismicidad existente en Italia y Grecia.