Los volcanes de Hawái se mantienen como centinelas silenciosos. Guardan el secreto de cómo se formaron, a miles de millas de distancia de donde los bordes de las placas tectónicas chocan y generan magma para la mayoría de los volcanes. Un estudio de 2017 realizado por Jones et al. Encontró las mejores pistasSin embargo, el origen de los volcanes de Hawai a través de la simulación de un cambio en la placa del Pacífico hace tres millones de años. Lo que sigue siendo difícil de alcanzar es la evidencia concluyente de que existen plumas de manto.
Las plumas son hipótesis, surgencias de rocas calientes en forma de hongo de la Tierra profunda. Se supone que se forman dentro de la capa límite térmica en la base del manto y se cree que transportan calor desde el núcleo de la Tierra que genera el magma de un volcánLos científicos ahora han realizado el mejor modelo computacional de plumas de manto, según un estudio disponible en línea en enero de 2018 antes de su revisión por pares y publicación en noviembre de 2017 en la Unión Geofísica Americana Revista de Investigación Geofísica, Tierra Sólida .
El equipo científico internacional mostró a través de simulaciones de supercomputadoras, por primera vez, detalles de cómo las plumas desaceleran las ondas sísmicas y cómo aparecen las plumas en las imágenes tomográficas sísmicas del manto de la Tierra, la capa debajo de la corteza. Además, los investigadores dicen que su trabajopodría ayudar a guiar futuros experimentos en el fondo del océano con imágenes de la Tierra profunda y ayudar a llegar al fondo de misterios como el origen de los volcanes de Hawai.
"Descubrimos que es probable que las plumas del manto sean más desafiantes para la imagen sísmica de lo que reconocimos anteriormente", dijo el autor principal del estudio Ross Maguire, ex estudiante de doctorado que recientemente se graduó del departamento de Ciencias de la Tierra y del Medio Ambiente de la Universidad deMichigan: "Podría faltar nuestra imagen actual de plumas de manto profundo", dijo Maguire, señalando una falta de cobertura de datos sísmicos.
Las imágenes sísmicas pueden ver estructuras de rocas a miles de kilómetros bajo tierra escuchando los ecos de los terremotos. Las redes de estaciones sísmicas se sientan en el fondo del océano y miden las diferencias en el tiempo de viaje de las ondas sísmicas a través de la roca, en esencia tomando una tomografía computarizada dela tierra profunda
"Para restringir el papel de las plumas del manto en la dinámica de la Tierra, así como para comprender las causas del volcanismo de los puntos calientes, debemos centrarnos en aumentar la cobertura global de los sensores sísmicos, particularmente en los océanos, que actualmente solo tienen escasez", dijo Maguire. Los despliegues oceánicos de sensores sísmicos son costosos y difíciles de planificar y ejecutar", agregó.
"En nuestro estudio, utilizamos el modelado por computadora para encontrar escenarios de imágenes óptimos, de modo que podamos recuperar la mayor cantidad de detalles de plumas de manto al menor costo", dijo Maguire. "Esperamos que nuestros resultados ayuden a guiar el diseño del futurodespliegues sísmicos destinados a obtener imágenes del manto debajo de los puntos críticos "
"Lo que probablemente es nuevo en este trabajo es que combinamos, tal vez por primera vez, modelos numéricos reales de cómo se forman las plumas y cómo se elevan en la Tierra con estimaciones de su estructura sísmica", dijo el coautor del estudio, JeroenRitsema, profesor del Departamento de Ciencias de la Tierra y del Medio Ambiente de la Universidad de Michigan.
"En segundo lugar", agregó, "también hemos explorado cómo varias configuraciones de red pueden cambiar la forma en que estamos formando imágenes de las plumas. Hemos realizado pruebas exhaustivas para descubrir las configuraciones óptimas de los sismómetros en la Tierra para ver las plumas. Estoes particularmente importante para Hawai ", dijo Ritsema." Hawai es un lugar donde creemos que hay un penacho responsable del vulcanismo en las islas hawaianas. Hemos determinado cuáles podrían ser los despliegues óptimos en alta mar en el fondo marino que podrían conducir a mejores imágenes deel manto profundo debajo de Hawai "
"Es un gran desafío computacional simular la propagación de ondas a través de las plumas del manto", dijo Maguire. Necesitaban códigos numéricos que resuelvan la ecuación de onda elástica en el manto de la Tierra a altas frecuencias y en tres dimensiones ". Lo que eso hace es que nos permitepara explicar con precisión los efectos de los fenómenos de propagación de ondas, como la difracción de ondas alrededor de las colas de plumas, que es muy importante para obtener imágenes de las plumas ", dijo Maguire.
XSEDE, eXtreme Science and Engineering Discovery Environment, financiado por la National Science Foundation, proporcionó recursos computacionales al equipo científico a través del acceso a supercomputadoras y expertos sobre cómo usarlos mejor ". No podríamos hacer este tipo detrabajar sin recursos de supercomputación como los que proporciona XSEDE ", dijo Maguire." Nos permitieron ejecutar nuestras simulaciones de propagación de ondas en cientos o, a veces, miles de núcleos de computadora en paralelo ".
El equipo científico abordó los desafíos impuestos por sus requisitos de modelado y usó un paquete de software de sismología llamado SPECFEM 3D GLOBE, que es un código de elemento espectral desarrollado por Jeroen Tromp de Princeton y su equipo que simula la propagación de ondas en el interior de la Tierra.Utilizaron la supercomputadora Stampede1 del Centro de Computación Avanzada de Texas a través de una asignación XSEDE que ejecutó más de 1.2 millones de horas centrales en Stampede1 y continúa con el sistema Stampede2 ". Ejecutamos ese código principalmente en Stampede1, y en realidad fue bastante fácil obtener el códigoconfigurado en Stampede1, ya que todos los módulos y herramientas que necesitábamos para compilar estaban disponibles de inmediato ", dijo Maguire.
La gestión del flujo de trabajo resultó desalentadora, con muchas simulaciones que produjeron cientos de gigabytes de datos ". El equipo de XSEDE fue realmente útil para responder todas mis preguntas sobre cómo puedo optimizar mi flujo de trabajo, por ejemplo, cómo puedo pasar la menor cantidad de tiempoesperando en la cola para que se ejecuten mis trabajos; o cómo puedo transferir eficientemente grandes cantidades de Stampede a mi máquina local ", dijo Maguire.
Los investigadores también aprovecharon el programa XSEDE Campus Champions, la facultad de tecnología de la información del campus y el personal que están capacitados y mantienen estrechos vínculos con XSEDE ". El campeón del campus XSEDE Brock Palen de la Universidad de Michigan nos ayudó a responder preguntas sobre qué tipo delos recursos están disponibles a través de XSEDE y cómo podemos acceder a ellos ", dijo Maguire.
Otro recurso útil, dijo Maguire, fue el acceso a una asignación en XSEDE Science Gateways a través de la Infraestructura Computacional para la Geodinámica con la ayuda de Lorraine Wang. "Science Gateways nos permitió probar nuestro código y realmente descubrir cómo exigiría nuestro proyecto computacionalmenteser ", dijo Maguire.
Los investigadores utilizaron una técnica computacionalmente exigente llamada tomografía sintética, que Maguire explicó que era esencialmente una prueba de confiabilidad de cuán bien los científicos pueden confiar en la precisión de las imágenes del interior de la Tierra ". Lo que hacemos es simular la propagación de ondas sísmicas a través de una Tierra digitalmodelo, que en nuestro caso contiene un penacho de manto ", dijo Maguire. Lo hacen con sismogramas virtuales, que se procesan como datos sísmicos reales para obtener una imagen de la estructura recuperada del penacho". Realmente nos permite probar cómo funcionaría un penacho de manto.tomar imágenes tomográficas y cómo sus características se verían borrosas o distorsionadas, dependiendo de la configuración de la imagen ", dijo Maguire.
"Nuestro estudio se centra principalmente en las colas de plumas del manto inferior porque es realmente una de las únicas formas de avanzar en términos de resolver el debate sobre la existencia de plumas de manto", dijo Maguire. Esto se relaciona con el volcanismo de los puntos calientes, causado por un manto anormalmente calientelejos de los límites de las placas. Las columnas de manto que se elevan desde el límite del núcleo interesan a los geocientíficos porque juegan un papel en el presupuesto total de calor de la Tierra al mover el calor del núcleo a la superficie.
"Las plumas de manto completo, es decir, las plumas que se elevan desde el límite entre el núcleo y el manto, también son las más desafiantes para obtener imágenes sísmicas porque nuestra resolución es muy pobre en el manto profundo y los conductos de plumas profundas probablemente sean delgados", dijo Maguire.
Las supercomputadoras finalmente podrían comenzar a ponerse al día con preguntas científicas de larga data y ayudar a provocar nuevas preguntas. "Creo que el desafío sigue siendo comprender exactamente lo que estamos buscando", dijo Ritsema. "En el trabajo de Maguire, hemos definidoun penacho de manto como una corriente de agua puramente térmica en la Tierra profunda. En este caso particular, el penacho es una estructura bastante estrecha, tiene una cola bastante estrecha, con sus complicaciones en la imagen. Pero ha habido otros trabajos de otros grupos queDe hecho, he argumentado que los penachos pueden ser mucho más gruesos de lo que hemos investigado en nuestro trabajo. La naturaleza misma de los penachos, si los penachos son puramente térmicos o impulsados por la temperatura, o si también hay un componente compositivo en su formación, son cuestiones queahora se están abordando en geofísica ", dijo Ritsema.
Las demandas computacionales de las simulaciones en este estudio de propagación de ondas limitaron el número de estructuras de plumas, que pueden ser más variadas en forma, tamaño, composición y temperatura que los únicos casos de plumas térmicas que consideraron.
"Nuestro estudio también es el primero en modelar la propagación de ondas a través de plumas en frecuencias tan altas como una décima de hertz", dijo Maguire. "Pero nos gustaría poder impulsar eso aún más para llegar a frecuencias más altasY eso significa que va a ser aún más un desafío computacional. A medida que las herramientas numéricas que usamos se vuelven más eficientes, y a medida que hay más clústeres informáticos de alto rendimiento disponibles, eso es algo que podríamos lograr en el futuro"
Dijo Maguire: "Comprender la dinámica de la Tierra es de fundamental importancia, porque todos vivimos aquí y estamos afectados por lo que sucede debajo de nuestros pies. La existencia de plumas de manto y el papel que desempeñan en nuestro planeta sigue siendo un gran signo de interrogaciónAdemás, los penachos se han relacionado con algunas de las mayores erupciones volcánicas en la historia de la Tierra. Y se cree que potencialmente juegan un papel en los eventos de extinción masiva más grandes que tenemos en el registro geológico. Todavía hay mucho queno entiendo acerca de ellos. Investigar la naturaleza de las plumas del manto es de fundamental importancia "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de Texas en Austin, Centro de Computación Avanzada de Texas . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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