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Petaquake verwendet Grafikprozessoren zur Untersuchung seismischer Wellen
Petaquake

Wie die Tragödie in Japan 2011 bewiesen hat, können Erdbeben auch in bislang erdbebenfreien Regionen ohne Vorwarnung auftreten. Um Erdbeben effektiv untersuchen zu können, sind extrem präzise Simulationen erforderlich, die zahlreiche Faktoren berücksichtigen, darunter bekannte Daten zu Verwerfungen, regionalen Risiken, geologischem Terrain und dem Typ des zu erwartenden Bruchs. Mithilfe dieser Daten lassen sich Voraussagen treffen, wie unterschiedliche Regionen betroffen sein könnten.

Die Herausforderung


Derzeitige physikbasierte Vorhersagemodelle für Erdbewegungen verwenden dynamische Modelle für Erdbeben-Brüche. Diese Modelle erfordern sehr viel Speicherplatz und Rechenleistung, die nur hochleistungsfähige Supercomputer liefern können. Die regionale Verfügbarkeit von Supercomputern ist aber sehr beschränkt. „Solche Vorhersagen sind schwer zu treffen, da das Medium, durch das sich die seismischen Wellen ausbreiten, sehr komplex ist“, erklärt Lapo Boschi, Ph.D. und Senior Research Scientist der Gruppe Seismologie und Geodynamik am Institut für Geophysik in Zürich.

Die Lösung


Das Petaquake Projekt ist eine gemeinsame Forschungsarbeit von Seismologen (ETH Zürich) und Computerwissenschaftlern / Mathematikern (Universität Basel), die zum Ziel hat, Methoden zu entwickeln, mit denen Bilder des Erdinnern verfeinert werden können. Die wesentliche Aufgabe besteht darin, zukünftige Erdbeben mit zunehmender Genauigkeit vorhersagen zu können und die Chancen für frühzeitige Erkennung und rechtzeitige Warnungen zu verbessern.

Die Seismologen definieren ein numerisches Raster und legen fest, wie schwer, flexibel oder brüchig der Boden an jedem Rasterpunkt ist. So lässt sich ein dreidimensionales, regionales Modell der Erdkruste erstellen, anhand dessen die Schwingungen des jeweiligen Segments bei einem Erdbeben genau berechnet werden können. Die Ultra-HPC-Fähigkeiten von Grafikprozessoren ermöglichen Petaquake, die seismischen Wellen zu analysieren und so die innere 3D-Struktur der Erde zu kartografieren.

"Das Konzept ähnelt dem einer medizinischen Tomografie, aber anstelle einer elektromagnetischen Strahlung (Röntgenstrahlen) verwenden wir eine elastische Strahlung (seismische Wellen)", sagt Tarje Nissen-Meyers, Ph.D. und Senior Research Scientist der Gruppe Seismologie und Geodynamik am Institut für Geophysik in Zürich. "Es ist sehr nützlich, die Bodenbeschaffenheit unterhalb einer Stadt zu kennen, um bereits während der Bauphase notwendige Vorsichtsmaßnahmen treffen zu können." Diese Daten ermöglichen außerdem Modelle, mit denen Frühwarnungen für gefährliche Betriebsunterbrechungen in kritischen Einrichtungen wie Krankenhäusern und Kraftwerken generiert werden können.

Die Auswirkungen


Die Verbesserung geologischer 3D-Strukturen, die die Grundlage jeder seismischen Beurteilung bildet, erfordert die Berechnung einer Wellenausbreitung über hundertmillionen Rasterpunkte, und Hunderte bis Tausende entsprechender Simulationen auf riesigen Supercomputern. Diese Simulationen, die auf Grafikprozessoren wesentlich schneller laufen als auf CPU-Recheneinheiten, ermöglichen eine statistische Beurteilung der Auswirkungen hypothetischer Erdbeben. Erdbeben-Frühwarnungen nutzen die Tatsache, dass die größten Schäden meist nicht durch die erste Welle eines Erdbebens verursacht werden, sondern durch nachfolgende Wellen. Dies soll zu einem wesentlich besseren Verständnis für die Besonderheiten bestimmter geografischer Regionen führen und Stadträten eine entsprechende Planung ermöglichen, indem zum Beispiel die Bauvorschriften verschärft werden und das Risiko gefährlicher Betriebsunterbrechungen in kritischen Einrichtungen rechtzeitig erkannt wird.

Es wird davon ausgegangen, dass die Ausführung der Petaquake Codes auf Grafikprozessoren die Berechnungen um das 10- bis 40-fache beschleunigen werden. In der Vergangenheit überschritten Projekte, die länger als zwei Jahre dauern sollten, den Zeitrahmen für Graduierten-Arbeiten, Post-Doc-Arbeiten und die meisten Finanzierungspläne. Mit hochleistungsfähigen Grafikprozessoren können Studien, die bisher zwei Jahre gedauert hätten, jetzt innerhalb eines Monats durchgeführt werden − einem zeitlich und finanziell realistischen Zeitraum für rechenintensive Forschungsprojekte.

Darüber hinaus ermöglichen Grafikprozessoren eine schnellere Beurteilung der Schäden, die ein Erdbeben angerichtet hat. "Mit Grafikprozessoren können wir Erdbeben innerhalb von 15 Minuten statt 5 Stunden auswerten", fährt Nissen-Meyers fort. Die Stunden nach einem Erdbeben sind von höchster Wichtigkeit, um den Umfang der Schäden beurteilen zu können, damit sich Rettungs- und Hilfskräfte entsprechend organisieren können.

Petaquake kann Erdbeben zwar noch nicht vorhersagen, ist aber in der Lage, die Ausbreitung seismischer Wellen realistisch zu berechnen, um die Auswirkungen zukünftiger Erdbeben hinsichtlich der Erdbewegungen und möglichen Risiken zu beurteilen. Außerdem kann Petaquake die Gesamtauswirkungen seismischer Bewegungen auf ganze Kontinente einschätzen.

Derzeit wird Europa genaueren Studien unterzogen, um ein besseres Verständnis der Tektonik zu erarbeiten, die auf der Kollision der afrikanischen und der europäischen Platte basiert, und um die Ursache der verstärkten seismischen Aktivität in Italien und Griechenland zu ermitteln.