Łańcuch gór podwodnych Hawaje-Emperor rozciąga się na długości prawie czterech tysięcy mil od Wysp Hawajskich do góry Detroit na północnym Pacyfiku i ma kształt litery L, która biegnie na zachód, a następnie gwałtownie na północ. Sześćdziesięciostopniowe zakrzywienie linii w większości podmorskich gór i wysp wulkanicznych zastanawiało naukowców od czasu, gdy po raz pierwszy zidentyfikowano je w latach 40. ubiegłego wieku na podstawie danych z licznych statków wykonujących echosondy.
Zespół naukowców wykorzystał obecnie superkomputery przydzielone w ramach programu Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) do modelowania i rekonstrukcji dynamiki ruchu płyt tektonicznych Pacyfiku, która może wyjaśnić tajemnicze wygięcie łańcucha górskiego.
Najważniejsze wnioski
"Po raz pierwszy pokazaliśmy za pomocą modeli komputerowych, jak płyta pacyficzna może gwałtownie zmienić kierunek z północy na zachód" - powiedział Michael Gurnis, profesor geofizyki w Kalifornijskim Instytucie Technologii.
"To był święty Graal, aby dowiedzieć się, dlaczego ta zmiana nastąpiła" - powiedział. Gurnis jest współautorem badań nad powstaniem łańcucha gór podwodnych, które zostały opublikowane w Nature Geoscience w styczniu 2022 roku.
Oprócz Gurnisa w skład zespołu wchodzili geologowie Jiashun Hu, pracownik naukowy Caltech, i Dietmar Mu?ller z Uniwersytetu Sydney w Australii oraz naukowcy zajmujący się obliczeniami Johann Rudi z Argonne National Laboratory i Georg Stadler z New York University.
Wskazówki dotyczące ruchu płyt
Ruch płyt stanowi klucz do zrozumienia, w jaki sposób łańcuch gór podwodnych odzwierciedla ruchy płyt. Ogromne płyty tektoniczne w skorupie ziemskiej poruszają się po gorącej, słabej skale płaszcza.
Płyta pacyficzna jest jedną z największych. Płyta ta rozciąga się na obszarze około 40 mln mil kwadratowych pod powierzchnią morza, a jej zarys wyznaczają góry i wulkany "pierścienia ognia", które powstają w wyniku powrotu płyt do płaszcza.
Jednak wulkany na Hawajach i łańcuch gór podwodnych Hawaje-Emperor nie powstały w wyniku tego procesu. Zamiast tego naukowcy teoretyzują, że pióropusze najgorętszych skał Ziemi, pochodzące z jej jądra, wędrują w górę przez płaszcz, tworząc wulkaniczny hotspot. Przypuszcza się, że łańcuch wzniesień powstał w wyniku przesuwania się płyty nad gorącym pióropuszem, co przypomina ślady palenia się papieru na świeczce.
Około 80 mln lat temu płyta pacyficzna przez około 30 mln lat poruszała się głównie na północ, czego dowodem jest linia gór podwodnych Emperor. Jednak około 50 milionów lat temu stało się coś dziwnego. Płyta pacyficzna najwyraźniej zmieniła kierunek, a pióropusz płaszcza również uległ przesunięciu.
"Może istnieje jakiś fizyczny powód, dla którego te zjawiska zachodziłyby jednocześnie" - powiedział Gurnis.
Wcześniejsza nagroda Gordona Bella
Gurnis zwrócił uwagę na wcześniejsze prace wykorzystujące techniki takie jak adaptacyjne rafinowanie siatki w dynamice konwekcji płaszcza, prace obliczeniowe, które dobrze skalują się do dużej liczby procesorów i wykorzystują system Stampede1 w TACC i przyniosły zespołowi kierowanemu przez Johanna Rudiego nagrodę Gordona Bella w 2015 roku.
"Co więcej, wcześniejsza praca Mu?llera, Gurnisa i innych pokazała, jak fizyka pióropuszy może działać wewnątrz płaszcza, tak że można mieć pióropusz, który szybko migrował na południe, a następnie zatrzymał się 50 milionów lat temu" - powiedział Gurnis.
"Te dwa badania wzajemnie się uzupełniają, ponieważ w obecnym badaniu mieliśmy model, który mógłby wyjaśnić ruch pióropusza na południe i jego nagłe zatrzymanie, ale nie mieliśmy modelu, który mógłby wyjaśnić, jak płyta mogła zmienić swój kierunek" - dodał.
Obliczenia zespołu zajmującego się fizyką płyt tektonicznych musiały uwzględniać uskoki na ich granicach, a jednocześnie umożliwiać ruch płyt.
Wyzwania obliczeniowe
Jednoczesne obliczenie obu tych elementów fizyki oznaczało, że potrzebne były metody obliczeniowe, które poradzą sobie z ogromnymi zmianami właściwości mechanicznych pomiędzy płytami, a także z ich uskokami.
Jednak tradycyjne koncepcje ruchu płyt nie były w stanie zsumować w modelach wystarczającej siły, aby pociągnąć płytę pacyficzną na zachód i wyjaśnić powstanie zakrętu.
"Odkryliśmy, że istnieje inna koncepcja, która pojawiała się w literaturze, ale nie poświęcano jej zbyt wiele uwagi" - powiedział Gurnis.
Nowy czynnik
Nowym czynnikiem uwzględnionym w badaniach była strefa subdukcji na rosyjskim Dalekim Wschodzie, łuk kronocki, który zakończył się około 50 milionów lat temu. Zbudowali oni nowe rekonstrukcje tektoniczne płyt z uwzględnieniem tych stref subdukcji.
Gdy umieścili te strefy w modelach, odkryli, że mogą one sprawić, że płyta pacyficzna przesunie się na północ. A kiedy subdukcja zakończyła się, płyta pacyficzna zaczęła przesuwać się na zachód, powoli tworząc inne strefy subdukcji, które z czasem dostarczały więcej siły do ciągnięcia płyty pacyficznej.
"Jest to nowa hipoteza, która jest znacznie pewniejsza pod względem fizyki, na której się opiera" - podsumowuje Gurnis. "Pozwoli to innym naukowcom sprawdzić, czy wytrzyma ona dalszą kontrolę i czy istnieją inne pomysły, które można przetestować na jej założeniach".
Zasoby obliczeniowe
Na potrzeby badania Gurnis uzyskał dostęp do superkomputera Stampede2 w TACC w ramach programu XSEDE finansowanego przez Narodową Fundację Nauki (NSF). Otrzymał również dostęp do finansowanego przez NSF systemu Frontera, również w TACC, najpotężniejszego superkomputera w środowisku akademickim i pierwszej fazy programu NSF "Towards a Leadership Class Computing Facility".
"Zarówno XSEDE, jak i Frontera są absolutnie niezbędne dla naszych badań" - powiedział Gurnis.
"Ta zdolność obliczeniowa jest niezbędna" - dodał. "W ramach tej współpracy rozpoczynamy projekty, które będą znacznie większe i będą wymagały do obliczeń czegoś więcej niż Frontera".
Te podstawowe badania mają na celu zbadanie tajemnic dotyczących dynamiki Ziemi w przeszłości i obecnie.
"Kiedy mamy do czynienia z niektórymi z najbardziej fundamentalnych procesów zachodzących na Ziemi, ważne jest, aby poprawnie określić, jak one działają" - mówi Gurnis.
Nowe kierunki
Gurnis podkreślił również wzajemne oddziaływanie między naukami dziedzinowymi a pracą stosowaną prowadzoną przez naukowców obliczeniowych.
"Opracowane przez nas algorytmy adaptacyjnego udoskonalania siatki mogą być stosowane do wielu czystych i stosowanych problemów" - dodał Gurnis. "To był ogromny przełom".
Powiedział Gurnis: "Mamy teraz algorytmy, które mogą nas poprowadzić w nowych kierunkach. Kiedy rozpoczynaliśmy ten projekt, nie myślałem o problemie gór podwodnych Hawajów i Cesarza. Ale potem pojawiły się nowe pomysły i możliwości. Nagle mogły pojawić się nowe pytania naukowe. Wykorzystanie superkomputerów zasadniczo pozwala nam odkrywać i odsłaniać podstawowe zjawiska rządzące niektórymi z najważniejszych procesów kształtujących Ziemię."
University of Texas at Austin, Texas Advanced Computing Center
INNE: businews.plitnews24.pl
itlife.pl
ofio.pl
gazetaprawna.pl
Komentarze
Prześlij komentarz