På grund av jordens skiktade sammansättning, forskare har ofta jämfört det grundläggande arrangemanget av dess inre med det för en lök. Det är den välbekanta tunna skorpan av kontinenter och havsbotten; den tjocka manteln av heta, halvfast bergart; den smälta metallens yttre kärna; och den solida inre kärnan av järn.

Men till skillnad från en lök, att skala tillbaka jordens lager för att bättre utforska planetarisk dynamik är inte ett alternativ, tvingar forskare att göra välgrundade gissningar om vår planets inre liv baserat på observationer på ytnivå. Smarta bildtekniker utarbetade av beräkningsforskare, dock, erbjuda löftet om att belysa jordens underjordiska hemligheter.

Med hjälp av avancerad modellering och simulering, seismiska data genererade av jordbävningar, och en av världens snabbaste superdatorer, ett team ledd av Jeroen Tromp från Princeton University skapar en detaljerad 3D-bild av jordens inre. För närvarande, teamet är fokuserat på att avbilda hela jordklotet från ytan till gränsen mellan kärnan och manteln, ett djup av 1, 800 mil.

Dessa högtrohetssimuleringar lägger till sammanhang till pågående debatter relaterade till jordens geologiska historia och dynamik, med framträdande egenskaper som tektoniska plattor, magma plymer, och hotspots i sikte. 2016, teamet släppte sin första generationens globala modell. Skapad med hjälp av data från 253 jordbävningar som fångats av seismogram utspridda runt om i världen, teamets modell är känd för sin globala omfattning och höga skalbarhet.

"Detta är den första globala seismiska modellen där inga approximationer - förutom den valda numeriska metoden - användes för att simulera hur seismiska vågor färdas genom jorden och hur de känner av heterogeniteter, sade Ebru Bozdag, en huvudutredare av projektet och en biträdande professor i geofysik vid universitetet i Nice Sophia Antipolis. "Det är en milstolpe för seismologigemenskapen. För första gången, vi visade människor värdet och genomförbarheten av att köra den här typen av verktyg för global seismisk avbildning."

Projektets tillkomst kan spåras till en seismisk avbildningsteori som först föreslogs på 1980-talet. För att fylla i luckor i seismiska datakartor, teorin angav en metod som kallas adjoint tomografi, en iterativ helvågsinversionsteknik. Denna teknik utnyttjar mer information än konkurrerande metoder, med hjälp av framåtgående vågor som färdas från skalvets ursprung till den seismiska mottagaren och angränsande vågor, som är matematiskt härledda vågor som färdas från mottagaren till skalvet.

Problemet med att testa denna teori? "Du behöver riktigt stora datorer för att göra det här, "Bozdag sa, "eftersom både framåt- och angränsande vågsimuleringar utförs i 3-D numeriskt."

Under 2012, precis en sådan maskin kom i form av Titan superdator, en 27 petaflop Cray XK7 som förvaltas av det amerikanska energidepartementets (DOE:s) Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), en DOE Office of Science User Facility belägen vid DOE:s Oak Ridge National Laboratory. Efter att ha provat sin metod på mindre maskiner, Tromps team fick tillgång till Titan 2013 genom Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment, eller HETA, program.

Arbeta med OLCF-personal, teamet fortsätter att tänja på gränserna för beräkningsseismologi till djupare djup.

Sy ihop seismiska skivor

När en jordbävning inträffar, frigörandet av energi skapar seismiska vågor som ofta orsakar förödelse för livet på ytan. Samma vågor, dock, presentera en möjlighet för forskare att titta in i underytan genom att mäta vibrationer som passerar genom jorden.

När seismiska vågor färdas, seismogram kan upptäcka variationer i deras hastighet. Dessa ändringar ger ledtrådar om sammansättningen, densitet, och temperaturen på mediet som vågen passerar genom. Till exempel, vågor rör sig långsammare när de passerar genom het magma, som mantelplymer och hotspots, än de gör när de passerar genom kallare subduktionszoner, platser där en tektonisk platta glider under en annan.

Varje seismogram representerar en smal bit av planetens inre. Genom att sy ihop många seismogram, forskare kan producera en global 3D-bild, fånga allt från magmaplymer som matar Ring of Fire, till Yellowstones hotspots, till subducerade plattor under Nya Zeeland.

Denna process, kallas seismisk tomografi, fungerar på ett sätt som liknar bildtekniker som används inom medicin, där 2D-röntgenbilder tagna från många perspektiv kombineras för att skapa 3D-bilder av områden inuti kroppen.

Förr, Seismiska tomografitekniker har begränsats i mängden seismisk data de kan använda. Traditionella metoder tvingade forskare att göra approximationer i sina vågsimuleringar och begränsa observationsdata till enbart större seismiska faser. Adjoint tomografi baserad på 3D numeriska simuleringar som används av Tromps team är inte begränsad på detta sätt. "Vi kan använda hela datan – allt och vad som helst, " sa Bozdag.

Kör sin GPU-version av SPECFEM3D_GLOBE-koden, Tromps team använde Titan för att tillämpa helvågsforminversion på global skala. Teamet jämförde sedan dessa "syntetiska seismogram" med observerade seismiska data från Incorporated Research Institutions for Seismology (IRIS), beräkna skillnaden och mata tillbaka den informationen till modellen för ytterligare optimering. Varje upprepning av denna process förbättrar globala modeller.

"Detta är vad vi kallar det angränsande arbetsflödet för tomografi, och i global skala kräver det att en superdator som Titan exekveras inom rimlig tidsram, " sa Bozdag. "För vår första generationens modell, vi genomförde 15 iterationer, vilket faktiskt är ett litet antal för den här typen av problem. Trots det lilla antalet iterationer, vår förbättrade globala modell visar kraften i vårt tillvägagångssätt. Detta är bara början, dock."

Automatisera för att utöka

För sin första globala modell, Tromps team valde jordbävningshändelser som registrerades mellan 5,8 och 7 på Richterskalan – en standard för att mäta jordbävningsintensitet. Det intervallet kan utökas något till att omfatta mer än 6, 000 jordbävningar i IRIS-databasen – ungefär 20 gånger mängden data som användes i den ursprungliga modellen.

För att få ut det mesta av all tillgänglig data krävs ett robust automatiserat arbetsflöde som kan påskynda teamets iterativa process. Samarbetar med OLCF-personal, Tromps team har gjort framsteg mot detta mål.

För lagets första generationens modell, Bozdag utförde varje steg i arbetsflödet manuellt, tar ungefär en månad att slutföra en modelluppdatering. Teammedlemmar Matthieu Lefebvre, Wenjie Lei, och Youyi Ruan från Princeton University och OLCF:s Judy Hill utvecklade nya automatiserade arbetsflödesprocesser som lovar att minska den cykeln till några dagar.

"Automation kommer verkligen att göra det mer effektivt, och det kommer också att minska mänskliga fel, vilket är ganska lätt att introducera, " sa Bozdag.

Ytterligare stöd från OLCF-personal har bidragit till effektiv användning och tillgänglighet av projektdata. Tidigt i projektets liv, Tromps team arbetade med OLCF:s Norbert Podhorszki för att förbättra datarörelsen och flexibiliteten. Slutresultatet, kallas Adaptable Seismic Data Format (ASDF), använder parallellbiblioteket Adaptable I/O System (ADIOS) och ger Tromps team ett överlägset filformat att spela in, reproducera, och analysera data om storskaliga parallella beräkningsresurser.

Dessutom, OLCF:s David Pugmire hjälpte teamet att implementera visualiseringsverktyg på plats. Dessa verktyg gjorde det möjligt för teammedlemmar att kontrollera sitt arbete lättare från lokala arbetsstationer genom att tillåta visualiseringar att produceras i samband med simulering på Titan, eliminerar behovet av kostsamma filöverföringar.

"Ibland finns djävulen i detaljerna, så du måste verkligen vara försiktig och veta vad du tittar på, " sa Bozdag. "Davids visualiseringsverktyg hjälper oss att undersöka våra modeller och se vad som finns där och vad som inte finns."

Med visualisering, omfattningen av teamets projekt kommer fram. Den miljardåriga cykeln av smält sten som stiger upp från gränsen mellan kärnan och manteln och faller från jordskorpan – inte olikt kulornas rörelse i en lavalampa – tar form, liksom andra geologiska särdrag av intresse.

I detta skede, upplösningen av teamets globala modell håller på att bli tillräckligt avancerad för att informera kontinentala studier, särskilt i regioner med tät datatäckning. Att göra det användbart på regional nivå eller mindre, såsom mantelaktiviteten under södra Kalifornien eller den jordbävningsbenägna jordskorpan i Istanbul, kommer att kräva ytterligare arbete.

"De flesta globala modeller inom seismologi överensstämmer i stor skala men skiljer sig avsevärt från varandra i mindre skalor, " sa Bozdag. "Det är därför det är avgörande att ha en mer exakt bild av jordens inre. Genom att skapa högupplösta bilder av manteln kan vi bidra till dessa diskussioner."

Gräver djupare

För att förbättra noggrannheten och upplösningen ytterligare, Tromps team experimenterar med modellparametrar under sin senaste INCITE-allokering. Till exempel, lagets andra generationens modell kommer att introducera anisotropa inversioner, som är beräkningar som bättre fångar de olika orienteringarna och rörelserna av sten i manteln. Denna nya information borde ge forskare en tydligare bild av mantelflödet, sammansättning, och skorpa-mantel-interaktioner.

Dessutom, teammedlemmarna Dimitri Komatitsch från Aix-Marseille University i Frankrike och Daniel Peter från King Abdullah University i Saudiarabien leder arbetet med att uppdatera SPECFEM3D_GLOBE för att inkludera funktioner som simulering av högrefrekventa seismiska vågor. Frekvensen av en seismisk våg, mätt i Hertz, motsvarar antalet vågor som passerar genom en fast punkt på en sekund. Till exempel, den nuvarande lägsta frekvensen som används i lagets simulering är cirka 0,05 hertz (1 våg per 20 sekunder), men Bozdag sa att laget också skulle vilja inkorporera seismiska vågor på upp till 1 hertz (1 våg per sekund). Detta skulle tillåta teamet att modellera finare detaljer i jordens mantel och till och med börja kartlägga jordens kärna.

För att ta detta språng, Tromps team förbereder sig för Summit, OLCF:s nästa generations superdator. Kommer anlända 2018, Summit kommer att ge minst fem gånger så stor beräkningskraft som Titan. Som en del av OLCF:s Center for Accelerated Application Readiness, Tromps team arbetar med OLCF-personal för att dra nytta av Summits datorkraft vid ankomst.

"Med Summit, vi kommer att kunna avbilda hela jordklotet från skorpan hela vägen ner till jordens centrum, inklusive kärnan, " Bozdag sa. "Våra metoder är dyra - vi behöver en superdator för att utföra dem - men våra resultat visar att dessa utgifter är berättigade, till och med nödvändigt."