Учёные сибирского отделения РАН создали новый инструмент для быстрой оценки распространения волны цунами после землетрясения. Новая разработка может революционизировать системы оповещения о разрушительных волнах в районах побережья Дальнего Востока и Японии.
Суперкомпьютерная мощность в обычном ПК
Ученые Института автоматики и электрометрии СО РАН совместно с сотрудниками Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН разработали сопроцессор на основе программируемой логической матрицы (FPGA).
Этот сопроцессор позволяет превратить обычный персональный компьютер в мощное вычислительное устройство. Исследователи утверждают, что по скорости решения задач этот прибор сравним с суперкомпьютерными расчетами, но существенно доступнее и более энергоэффективен.
При наличии большого запаса времени можно использовать суперкомпьютеры для проведения точных расчетов. Но когда очаг землетрясения располагается близко к берегу, например, у побережья Камчатки, Сахалина, Курильских островов или Японии, волна может достичь берега всего за 25–30 минут. В таких ситуациях чрезвычайно важна скорость расчетов. — утверждает доктор физико-математических наук Михаил Лаврентьев, руководитель лаборатории программных систем машинной графики ИАИЭ СО РАН.
Как это работает?
При землетрясениях геофизические службы фиксируют координаты эпицентра и магнитуду. Однако разрушительными цунами становятся не все подземные толчки с одинаковой магнитудой. На это влияет рельеф морского дна и характер возмущения воды.
Ученые для точного прогнозирования используют данные глубоководных датчиков, которые измеряют высоту водного столба с точностью до одного сантиметра. Большинство таких датчиков установлено у берегов Японии, где уже сформирована обширная база исторических данных.
По профилю волны можно примерно установить форму возмущения в источнике цунами. Ошибка в 10% допустима: различие между волной в 2 метра и 2,2 метра не существенно, а волны высотой 20 и 22 метра одинаково опасны. , — отмечает Лаврентьев.
Экономия времени и ресурсов
Одна из главных проблем — задержка получения данных о цунами. Волны цунами движутся медленнее, чем сейсмические волны в земной коре (волны Рэлея). Однако при правильном размещении датчиков уже через 10 минут после землетрясения можно обнаружить цунами и начать расчеты.
Ускоритель, созданный сибирскими учёными, позволяет обычным ПК за 25 минут рассчитать движение волны по всему Тихому океану с шагом сетки в одну географическую минуту. Благодаря этому большинство расчётов возможно проводить на персональных компьютерах, а суперкомпьютеры будут использоваться лишь для уточнения опасных сценариев.
Землетрясение в Японии 2011 года и авария на «Фукусиме-1» привели к частичному отключению электроснабжения. Суперкомпьютеры оказались недоступны, а компьютеры с нашим сопроцессором могли бы функционировать от источника бесперебойного питания. , — подчеркивает Лаврентьев.
Перспективы: автономная система предупреждения
Ученые совершенствуют технологию.
- Точность начального возмущения Как более точно измерить форму волны в источнике?
- Расчет зон затопления Нахождение компромисса между быстротой и точностью.
- Автономность Система должна самостоятельно отслеживать данные сейсмодатчиков и производить расчеты в случае угрозы цунами.
- Устойчивость к сбоям Система должна оставаться работоспособной даже при неисправности одного или двух датчиков.
Кроме того, учёные выяснили, что ожидание завершения всей волны необязательно. Достаточно 35 секунд информации, а не двух минут, чтобы определить её силу.
Цель — спасти жизни
Задача – предсказывать цунами и определять зоны затопления прибрежных районов.
Рост волн у берега может существенно колебаться. В случае незаселенного опасного участка оповещение о ЧП не требуется. В присутствии людей или предприятий им необходимо предусмотреть минимум несколько минут на эвакуацию. , — говорит Лаврентьев.
Первые испытания демонстрируют возможность быстрого и точного прогнозирования цунами. Такая технология может составить основу глобальной системы оповещения о природных катаклизмах и спасти множество жизней.