Сибирские ученые придумали, как быстро вычислить цунами
Фото: ru.freepik.com
Технология, разработанная учеными, позволяет в течение нескольких минут после землетрясения получать оценку ожидаемого распределения высоты волны вдоль побережья. Это значительно упрощает процесс прогнозирования и позволяет принять своевременные меры для защиты населения и имущества.
Сотрудники Института автоматики и электрометрии СО РАН в сотрудничестве с коллегами из Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН разработали сопроцессор для персонального компьютера, который по производительности может сравниться с суперкомпьютерами.
«Модель, которая хорошо описывает распространение волны, известна давно, это достаточно простая система уравнений мелкой воды. Скорость распространения равна корню квадратному из глубины, то есть чем больше глубина, тем быстрее будет двигаться волна. Средняя глубина Тихого океана — четыре километра, там скорость распространения волны составляет 200 метров в секунду или 720 километров в час (примерно как у современного авиалайнера). Если в запасе много времени, можно привлекать суперкомпьютерные ресурсы и проводить детальные расчеты по моделям, учитывающим большое число параметров. Нас же заинтересовали случаи, когда очаг землетрясения находится близко к суше, что характерно для побережья Камчатки, Сахалина, Курильских островов и Японии. В этих случаях время, за которое волна проходит от очага землетрясения до ближайшей точки берега, составляет всего 25—30 минут, и на первый план выходит скорость расчетов», — рассказывает заведующий лабораторией программных систем машинной графики ИАиЭ СО РАН доктор физико-математических наук Михаил Лаврентьев.
По профилю волны исследователи научились приблизительно определять форму возмущения поверхности воды в источнике цунами. Такое измерение не дает точный результат, но показывает хорошее приближение. «В отличие от медицины, где при прочтении снимка зачастую нельзя ошибиться и на несколько пикселей, здесь погрешность в 10 % вполне допустима. Нет существенной разницы между волной высотой 2 метра или 2,20 метра, а волны высотой 20 или 22 метра почти одинаково опасны», — комментирует исследователь.
Существенно сократить время такого прогноза помогают современные средства аппаратного ускорения расчетов.Ученые ИАиЭ СО РАН и ИВМиМГ СО РАН разработали специализированный аппаратный ускоритель для быстрого численного моделирования распространения цунами. Он работает на базе кристалла так называемой программируемой логики — Field Programmable Gates Array (FPGA). Специальная печатная плата в составе обычного персонального компьютера позволяет добиться производительности, сопоставимой с суперкомпьютером, при решении конкретной задачи расчета распространения волны. Алгоритмы загружаются в память при каждом включении компьютера, то есть их можно активировать по необходимости. Эта плата спроектирована в ИАиЭ СО РАН, она изготавливается и паяется на предприятиях Академгородка и Новосибирска.
Сибирские ученые разработали уникальную технологию, которая позволяет за 25 минут на обычном персональном компьютере рассчитать движение волны через весь Тихий океан с шагом сетки в одну географическую минуту. Это открывает новые горизонты в области цунами-прогнозирования: большинство расчетов можно будет проводить на ПК, а суперкомпьютеры будут привлекаться только в тех случаях, когда населенным пунктам угрожает опасность и требуется более точная оценка параметров волны.
Сейчас ученые активно работают над совершенствованием своей разработки. «Во-первых, нам необходимо усовершенствовать технологию предсказания начальной формы возмущения. Во-вторых, важно разобраться, как рассчитывать зоны затопления. Существует множество подходов к этой задаче, но многие из них требуют огромных вычислительных ресурсов, которые не под силу даже суперкомпьютерам. Мы стремимся найти оптимальный вариант, который позволит получать точные оценки амплитуды волны при минимальных затратах ресурсов», — объясняет Михаил Лаврентьев, один из разработчиков.
Кроме того, ученые планируют создать автономную систему, которая будет самостоятельно отслеживать сайты сейсмических служб и реагировать на опасные землетрясения. В случае возникновения таких событий система будет отправлять запросы на датчики и производить расчеты. Ученые надеются, что в конечном итоге все наработки будут объединены в единую систему, которая сможет надежно предсказывать, каким участкам побережья угрожает опасность.
