A cadeia de montes submarinos Havaiano-Imperador se estende por quase quatro mil milhas das ilhas havaianas até o monte submarino de Detroit, no Pacífico Norte, uma cadeia em forma de L que vai para o oeste e depois abruptamente para o norte. A curva de 60 graus na linha de montanhas principalmente submarinas e ilhas vulcânicas intrigou os cientistas desde que foi identificada pela primeira vez na década de 1940 a partir dos dados de vários navios de sondagem.
Uma equipe de cientistas já usou supercomputadores alocados pelo Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) para modelar e reconstruir a dinâmica do movimento das placas tectônicas do Pacífico que pode explicar a misteriosa curva da cadeia de montanhas.
Principais descobertas
“Mostramos com modelos de computador pela primeira vez como a placa do Pacífico pode mudar abruptamente de direção do norte para o oeste”, disse Michael Gurnis, professor de geofísica do Instituto de Tecnologia da Califórnia.
“Tem sido um santo graal descobrir por que essa mudança aconteceu”, disse ele. Gurnis foi coautor do estudo sobre as origens da cadeia de montes submarinos que foi publicado na Nature Geoscience em janeiro de 2022.
Além de Gurnis, a equipe era composta pelos geocientistas Jiashun Hu, um estudioso de pós-doutorado na Caltech, e Dietmar Müller, da Universidade de Sydney, na Austrália, e os cientistas computacionais Johann Rudi, do Laboratório Nacional de Argonne, e Georg Stadler, da Universidade de Nova York.
Pistas de movimento da placa
O movimento da placa fornece uma chave para entender como a cadeia do monte submarino reflete os movimentos da placa. Gigantescas placas tectônicas na crosta terrestre basicamente se movem sobre a rocha quente e fraca do manto.
A Placa do Pacífico é uma das maiores. A placa se estende por cerca de 40 milhões de milhas quadradas submarinas, delineadas pelas montanhas e vulcões do ‘Anel de Fogo’ que são criados pelo retorno das placas ao manto.
Mas os vulcões do Havaí e a cadeia de montes submarinos do Imperador Havaiano não foram causados por esse processo. Em vez disso, os cientistas teorizam que as plumas da rocha mais quente da Terra, a partir de seu núcleo, viajam para cima através do manto para gerar um hotspot vulcânico. E teoriza-se que a cadeia do monte submarino foi criada pela placa movendo-se sobre a pluma quente, algo como um rastro de marcas de queimadura em um papel movido sobre uma vela.
Cerca de 80 milhões de anos atrás, a placa do Pacífico viajou principalmente para o norte por cerca de 30 milhões de anos, como evidenciado pela linha de montes submarinos do Imperador. Mas cerca de 50 milhões de anos atrás, algo estranho aconteceu. A placa do Pacífico aparentemente mudou de direção, e a pluma do manto também mudou.
“Talvez haja uma razão física subjacente para que eles aconteçam simultaneamente”, disse Gurnis.
Prêmio Prior Gordon Bell
Ele apontou para trabalhos anteriores usando técnicas como refinamento de malha adaptativa na dinâmica da convecção do manto, trabalho computacional que se adapta bem a um grande número de CPUs e usou o sistema Stampede1 de TACC e rendeu à equipe liderada por Johann Rudi o Prêmio Gordon Bell em 2015.
“Além disso, trabalhos anteriores com Müller, Gurnis e outros mostraram como a física das plumas poderia funcionar dentro do manto, de modo que você pudesse ter uma pluma que migrou rapidamente para o sul e parou em 50 milhões de anos atrás”, disse Gurnis.
“Esses dois estudos são complementares porque, no presente estudo, tínhamos um modelo que poderia explicar o movimento da pluma para o sul e depois parar abruptamente, mas não tínhamos um modelo que pudesse explicar como a placa poderia mudar sua direção”, acrescentou.
Os cálculos da equipe da física das placas tectônicas tiveram que explicar as falhas em seus limites, mas ainda permitir o movimento das placas.
Desafios computacionais
O desafio de obter ambas as partes da física computadas simultaneamente significava que eles precisavam de métodos computacionais que pudessem lidar com grandes mudanças nas propriedades mecânicas de uma placa para outra, bem como suas falhas.
No entanto, as ideias tradicionais do movimento das placas falharam em somar força suficiente nos modelos para puxar a Placa do Pacífico para o oeste e explicar a curva.
“Descobrimos que havia outra ideia que existia na literatura, mas não estava recebendo muita atenção”, disse Gurnis.
Novo fator
O novo fator contabilizado no estudo foi uma zona de subducção no Extremo Oriente russo, um arco de Kronotsky que terminou há cerca de 50 milhões de anos. Eles construíram novas reconstruções de placas tectônicas com essas zonas de subducção.
Quando colocaram as zonas nos modelos, descobriram que poderiam fazer a placa do Pacífico ir para o norte. E quando essa subducção terminou, a placa do Pacífico começou a se mover para o oeste, construindo lentamente outras zonas de subducção que, com o tempo, forneceram mais força para puxar a placa do Pacífico.
“É uma nova hipótese muito mais firme em termos da física em que se baseia”, concluiu Gurnis. “Isso permitirá que outros cientistas vejam se aguentará mais escrutínio e se há outras ideias que podem ser testadas em suas suposições.”
Recursos computacionais
Para o estudo, Gurnis recebeu acesso ao supercomputador Stampede2 no TACC através do XSEDE financiado pela National Science Foundation (NSF). Ele também recebeu acesso ao sistema Frontera, financiado pela NSF, também no TACC, o supercomputador mais poderoso da academia e a primeira fase do programa “Towards a Leadership Class Computing Facility” da NSF.
“Tanto o XSEDE quanto o Frontera são absolutamente vitais para nossa pesquisa”, disse Gurnis.
“Esta capacidade de computação é essencial”, acrescentou. “Estamos criando projetos com essa colaboração que serão substancialmente maiores do que isso, que exigirão algo além da Frontera para computar”.
Esta pesquisa básica visa investigar mistérios sobre a dinâmica da Terra passada e presente.
“Quando você lida com alguns dos processos mais fundamentais da Terra, é importante descobrir corretamente como eles funcionam”, disse Gurnis.
Novas direções
Ele também destacou a interação entre a ciência do domínio e o trabalho aplicado com cientistas computacionais.
“Os algoritmos que desenvolvemos para refinamento de malha adaptativa podem ser aplicados a muitos problemas puros e aplicados”, acrescentou Gurnis. “Isso foi um grande avanço.”
Disse Gurnis: “Agora temos algoritmos que podem nos levar em novas direções. Eu não estava pensando no problema do monte submarino do imperador havaiano quando começamos este projeto. Mas então, novas ideias e capacidades surgiram. De repente, novas questões científicas podem surgir . O uso de supercomputadores essencialmente nos permite descobrir e desvendar o fenômeno básico que governa alguns dos processos mais importantes que moldam a Terra.”
Publicado em 23/03/2022 14h25
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