El misterio submarino del emperador hawaiano revelado con supercomputadoras

La cadena de montes submarinos Hawái-Emperador se extiende por casi cuatro mil millas desde las islas de Hawái hasta el monte submarino de Detroit en el Pacífico norte, una cadena en forma de L que va hacia el oeste y luego abruptamente hacia el norte. La curva de 60 grados en la línea de montañas e islas volcánicas en su mayoría submarinas ha desconcertado a los científicos desde que se identificó por primera vez en la década de 1940 a partir de los datos de numerosos barcos de ecosondeo.

Un equipo de científicos ahora ha utilizado supercomputadoras asignadas por Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) para modelar y reconstruir la dinámica del movimiento de las placas tectónicas del Pacífico que podría explicar la misteriosa curva de la cadena montañosa.

Descubrimientos importantes

«Hemos demostrado con modelos de computadora por primera vez cómo la placa del Pacífico puede cambiar abruptamente de dirección de norte a oeste», dijo Michael Gurnis, profesor de Geofísica en el Instituto de Tecnología de California.

«Ha sido un santo grial descubrir por qué ocurrió este cambio», dijo. Gurnis es coautor del estudio sobre los orígenes de la cadena de montañas submarinas que se publicó en Geociencia de la naturaleza en enero de 2022.

Además de Gurnis, el equipo estaba formado por los geocientíficos Jiashun Hu, un becario postdoctoral en Caltech, y Dietmar Müller de la Universidad de Sydney en Australia y los científicos computacionales Johann Rudi del Laboratorio Nacional Argonne y Georg Stadler de la Universidad de Nueva York.

Pistas de movimiento de placas

El movimiento de las placas proporciona una clave para comprender cómo la cadena de montañas submarinas refleja los movimientos de las placas. Las gigantescas placas tectónicas de la corteza terrestre básicamente se mueven sobre la roca caliente y débil del manto.

La Placa del Pacífico es una de las más grandes. La placa se extiende alrededor de 40 millones de millas cuadradas bajo el agua, delineada por las montañas y los volcanes del ‘Anillo de Fuego’ que se crean por el regreso de las placas al manto.

Pero los volcanes de Hawái y la cadena de montañas submarinas Hawái-Emperador no fueron causados ​​por este proceso. En cambio, los científicos teorizan que las columnas de la roca más caliente de la Tierra, desde su núcleo, viajan hacia arriba a través del manto para generar un punto de acceso volcánico. Y se teoriza que la cadena de montañas submarinas fue creada por el movimiento de la placa sobre el penacho caliente, algo así como un rastro de marcas de quemaduras en un papel movido sobre una vela.

Hace unos 80 millones de años, la placa del Pacífico viajó principalmente hacia el norte durante unos 30 millones de años, como lo demuestra la línea de los montes submarinos Emperor. Pero hace unos 50 millones de años, sucedió algo extraño. La placa del Pacífico aparentemente cambió de dirección y la pluma del manto también se desplazó.

«Tal vez haya una razón física subyacente por la que ocurrirían simultáneamente», dijo Gurnis.

Premio anterior Gordon Bell

Señaló el trabajo anterior que utilizó técnicas como el refinamiento de malla adaptable en la dinámica de la convección del manto, el trabajo computacional que escala bien a una gran cantidad de CPU y utilizó el sistema Stampede1 de TACC y le valió al equipo encabezado por Johann Rudi el Premio Gordon Bell en 2015.

«Además, el trabajo anterior con Müller, Gurnis y otros mostró cómo la física de las plumas podría funcionar dentro del manto, de modo que podría tener una pluma que emigró rápidamente hacia el sur y luego se detuvo hace 50 millones de años», dijo Gurnis.

«Estos dos estudios son complementarios porque al entrar en el presente estudio, en realidad teníamos un modelo que podía explicar el movimiento de la pluma hacia el sur y luego detenerse abruptamente, pero no teníamos un modelo que pudiera explicar cómo podría cambiar la placa. su dirección”, agregó.

Los cálculos del equipo sobre la física de las placas tectónicas tenían que tener en cuenta las fallas en sus límites pero, al mismo tiempo, permitir el movimiento de las placas.

Desafíos computacionales

El desafío de obtener ambas partes de la física computadas simultáneamente significaba que necesitaban métodos computacionales que pudieran manejar grandes cambios en las propiedades mecánicas de una placa a otra, así como sus fallas.

Sin embargo, las ideas tradicionales del movimiento de las placas no lograron sumar suficiente fuerza en los modelos para tirar de la Placa del Pacífico hacia el oeste y explicar la curvatura.

«Descubrimos que había otra idea que había existido en la literatura, pero no estaba recibiendo mucha atención», dijo Gurnis.

factor nuevo

El nuevo factor considerado en el estudio fue una zona de subducción en el Lejano Oriente ruso, un arco de Kronotsky que terminó hace unos 50 millones de años. Construyeron nuevas reconstrucciones de placas tectónicas con estas zonas de subducción.

Cuando pusieron las zonas en los modelos, descubrieron que podían hacer que la placa del Pacífico se dirigiera hacia el norte. Y cuando terminó esa subducción, la placa del Pacífico comenzó a moverse hacia el oeste, construyendo lentamente otras zonas de subducción que con el tiempo proporcionaron más fuerza para tirar de la placa del Pacífico.

«Es una nueva hipótesis que es mucho más firme en términos de la física en la que se basa», concluyó Gurnis. «Permitirá a otros científicos ver si resistirá un mayor escrutinio y si hay otras ideas que puedan probarse sobre sus suposiciones».

Recursos computacionales

Para el estudio, Gurnis obtuvo acceso a la supercomputadora Stampede2 en TACC a través de XSEDE financiado por la Fundación Nacional de Ciencias (NSF). También se le otorgó acceso al sistema Frontera financiado por NSF también en TACC, la supercomputadora más poderosa en la academia y la primera fase del programa NSF «Hacia una instalación de computación de clase de liderazgo».

«Tanto XSEDE como Frontera son absolutamente vitales para nuestra investigación», dijo Gurnis.

“Esta capacidad informática es fundamental”, añadió. «Estamos lanzando proyectos con esta colaboración que serán sustancialmente más grandes que esto, que requerirán algo más allá de Frontera para computar».

Esta investigación básica tiene como objetivo investigar misterios sobre la dinámica de la Tierra pasada y presente.

«Cuando se trata de algunos de los procesos más fundamentales de la tierra, es importante averiguar correctamente cómo funcionan», dijo Gurnis.

Nuevas direcciones

También destacó la interacción entre la ciencia de dominio y el trabajo aplicado con científicos computacionales.

«Los algoritmos que hemos desarrollado para el refinamiento de malla adaptable se pueden aplicar a muchos problemas puros y aplicados», agregó Gurnis. «Ese fue un gran avance».

Dijo Gurnis: «Ahora tenemos algoritmos que podrían movernos en nuevas direcciones. No estaba pensando en el problema del monte submarino Hawái-Emperador cuando comenzamos este proyecto. Pero luego, surgieron nuevas ideas y capacidades. De repente, podrían surgir nuevas preguntas científicas. El uso de supercomputadoras esencialmente nos permite descubrir y descubrir el fenómeno básico que gobierna algunos de los procesos más importantes que dan forma a la tierra».