Mistero sottomarino hawaiano-imperatore rivelato con i supercomputer

Vista tridimensionale del modello geodinamico di 50 milioni di anni fa, quando il movimento della placca pacifica cambiò da nord a più ovest. Questo movimento, risolto per la prima volta attraverso simulazioni, spiega la curva di 60 gradi nella catena di montagne sottomarine Hawaiian-Emperor. KRO – Zona di subduzione di Kronotsky; PAC – Pacifico; PHI – Targa marina filippina; CMB – confine del mantello centrale. Crediti: Michael Gurnis, Caltech

La catena di montagne sottomarine Hawaiian-Emperor si estende per quasi quattromila miglia dalle isole Hawaii alla montagna sottomarina di Detroit nel Pacifico settentrionale, una catena a forma di L che va a ovest e poi bruscamente a nord. La curva di 60 gradi nella linea di montagne per lo più sottomarine e isole vulcaniche ha lasciato perplessi gli scienziati da quando è stata identificata per la prima volta negli anni ’40 dai dati di numerose navi ecoscandaglio.

Un team di scienziati ha ora utilizzato i supercomputer assegnati dall’Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) per modellare e ricostruire la dinamica del movimento della placca tettonica del Pacifico che potrebbe spiegare la misteriosa curva della catena montuosa.

Principali risultati

“Abbiamo mostrato per la prima volta con modelli computerizzati come la placca del Pacifico può cambiare bruscamente direzione da nord a ovest”, ha affermato Michael Gurnis, professore di Geofisica presso il California Institute of Technology.

“È stato un Santo Graal capire perché questo cambiamento è avvenuto”, ha detto. Gurnis è coautore dello studio sulle origini della catena di montagne sottomarine che è stato pubblicato in Geoscienze della natura a gennaio 2022.

Oltre a Gurnis, il team di geoscienziati Jiashun Hu, uno studioso post-dottorato al Caltech, e Dietmar Müller della Sydney University in Australia e gli scienziati computazionali Johann Rudi dell’Argonne National Laboratory e Georg Stadler della New York University.

Indizi sul movimento della piastra

Il movimento della placca fornisce una chiave per capire come la catena della montagna sottomarina riflette i movimenti della placca. Le gigantesche placche tettoniche nella crosta terrestre si muovono sostanzialmente sulla roccia calda e debole del mantello.

La Pacific Plate è una delle più grandi. La placca si estende per circa 40 milioni di miglia quadrate sottomarina, delineata dalle montagne e dai vulcani dell ‘”Anello di fuoco” che sono creati dal ritorno delle placche al mantello.

Ma i vulcani delle Hawaii e la catena di montagne sottomarine Hawaiian-Emperor non furono causati da questo processo. Invece, gli scienziati teorizzano che i pennacchi della roccia più calda della Terra, dal suo nucleo, viaggino verso l’alto attraverso il mantello per generare un punto caldo vulcanico. Ed è teorizzato che la catena della montagna sottomarina sia stata creata dal piatto che si muoveva sul pennacchio caldo, qualcosa come una scia di bruciature su una carta spostata su una candela.

Circa 80 milioni di anni fa, il milione di placche del Pacifico viaggiò principalmente verso nord per circa 30 anni, come evidenziato dalla linea delle montagne sottomarine dell’Imperatore. Ma circa 50 milioni di anni fa accadde qualcosa di strano. Apparentemente la placca del Pacifico ha cambiato direzione e anche il pennacchio del mantello si è spostato.

“Forse c’è una ragione fisica di fondo per cui sarebbero accaduti simultaneamente”, ha detto Gurnis.

Premio Gordon Bell precedente

Ha indicato il lavoro precedente utilizzando tecniche come il perfezionamento della mesh adattiva sulla dinamica della convezione del mantello, il lavoro computazionale che si adatta bene a un gran numero di CPU e ha utilizzato il sistema Stampede1 di TACC e ha fatto guadagnare al team guidato da Johann Rudi il Gordon Bell Prize in 2015.

“Inoltre, il lavoro precedente con Müller, Gurnis e altri ha mostrato come la fisica dei pennacchi potrebbe funzionare all’interno del mantello in modo tale che tu possa avere un pennacchio che è migrato rapidamente verso sud e poi si è fermato a 50 milioni di anni fa”, ha detto Gurnis.

“Questi due studi sono complementari perché entrando nel presente studio, in realtà avevamo un modello che poteva spiegare il movimento del pennacchio a sud e poi fermarsi bruscamente, ma non avevamo un modello che potesse spiegare come la placca potrebbe cambiare la sua direzione”, ha aggiunto.

I calcoli del team sulla fisica delle placche tettoniche hanno dovuto tenere conto delle faglie ai loro confini, ma tuttavia consentire il movimento delle placche.

Mistero sottomarino hawaiano-imperatore rivelato con i supercomputer

Allocazioni XSEDE su Stampede2 di TACC (in alto); e anche il supercomputer Frontera finanziato dall’NSF (in basso) sono stati utilizzati nello studio di modellizzazione della tettonica a placche. Crediti: TACC

Sfide computazionali

La sfida di ottenere entrambi questi elementi di fisica calcolati contemporaneamente significava che avevano bisogno di metodi di calcolo in grado di gestire grandi cambiamenti nelle proprietà meccaniche da una lastra all’altra, nonché i loro difetti.

Tuttavia, le idee tradizionali sul movimento della placca non sono riuscite a sommarsi a una forza sufficiente nei modelli per tirare la placca del Pacifico a ovest e spiegare la curva.

“Abbiamo scoperto che c’era un’altra idea che era esistita nella letteratura, ma non stava ottenendo molta attenzione”, ha detto Gurnis.

nuovo fattore

Il nuovo fattore preso in considerazione nello studio era una zona di subduzione nell’Estremo Oriente russo, un arco di Kronotsky che terminò circa 50 milioni di anni fa. Hanno costruito nuove ricostruzioni tettoniche a placche con queste zone di subduzione.

Quando hanno inserito le zone nei modelli, hanno scoperto che potevano far andare la placca del Pacifico a nord. E quando quella subduzione terminò, la placca del Pacifico iniziò a spostarsi verso ovest, costruendo lentamente altre zone di subduzione che nel tempo fornirono più forza per tirare la placca del Pacifico.

“È una nuova ipotesi che è molto più solida in termini di fisica su cui si basa”, ha concluso Gurnis. “Consentirà ad altri scienziati di vedere se resisterà a un ulteriore esame e se ci sono altre idee che possono essere testate sulla base delle sue ipotesi”.

Risorse computazionali

Per lo studio, Gurnis ha ottenuto l’accesso al supercomputer Stampe2 al TACC tramite XSEDE finanziato dalla National Science Foundation (NSF). È stato anche premiato con l’accesso al sistema Frontera finanziato dalla NSF anche al TACC, il più supercomputer del mondo accademico e la prima fase del programma NSF “Towards a Leadership Class Computing Facility”.

“Sia XSEDE che Frontera sono assolutamente vitali per la nostra ricerca”, ha affermato Gurnis.

“Questa capacità di calcolo è essenziale”, ha aggiunto. “Stiamo sviluppando progetti con questa collaborazione che sarà sostanzialmente più ampia di questa, che richiederà qualcosa anche al di là di Frontera per il calcolo”.

Questa ricerca di base si propone di indagare i misteri sulle dinamiche della Terra passata e presente.

“Quando affronti alcuni dei processi più fondamentali sulla terra, è importante capire correttamente come funzionano”, ha detto Gurnis.

nuove direzioni

Ha anche evidenziato l’interazione tra la scienza di dominio e il lavoro applicato con gli scienziati computazionali.

“Gli algoritmi che abbiamo sviluppato per il perfezionamento della mesh adattiva possono essere applicati a molti problemi puri e applicati”, ha aggiunto Gurnis. “Quella è stata una grande svolta”.

Ha detto Gurnis: “Ora abbiamo algoritmi che potrebbero spostarci in nuove direzioni. Non stavo pensando al problema delle montagne sottomarine dell’imperatore hawaiano quando abbiamo iniziato questo progetto. Ma poi, sono venute avanti nuove idee e capacità. All’improvviso potrebbero emergere nuove domande scientifiche L’uso dei supercomputer ci permette essenzialmente di scoprire e scoprire il fenomeno di base che governa alcuni dei più importanti processi che modellano la terra.”


La misteriosa ansa della catena dell’imperatore hawaiano


Maggiori informazioni:
Jiashun Hu et al, Dinamica del brusco cambiamento nel movimento della placca del Pacifico circa 50 milioni di anni fa, Geoscienze della natura (2021). DOI: 10.1038/s41561-021-00862-6

Fornito dall’Università del Texas ad Austin

Citazione: mistero sottomarino Hawaiian-Emperor rivelato con i supercomputer (2022, 22 marzo) recuperato il 22 marzo 2022 da https://phys.org/news/2022-03-hawaiian-emperor-undersea-mystery-revealed-supercomputers.html

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