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Forschung

Die Münchner Geodynamikgruppe ist führend in der Anwendung moderner Hochleistungsparallelrechenverfahren auf Probleme der Geodynamik. Wir konzentrieren uns insbesondere auf folgende Teilgebiete:

Mantelkonvektion auf der Erde und terrestrischen Planeten


Simulation der Mantelkonvektion

Konvektion im Erdmantel is die Quelle aller tektonischer Bewegung, und weil sie die Temperaturverhältnisse im Mantel und dadurch den Wärmefluss in die Erdkruste bestimmt, ist sie grundlegend für die langfristige geologische thermische Entwicklung der Erde und vergleichbarer Planeten. Die Münchner Geodynamiker entwickeln und erhalten den TERRA-Code, eines der am weitesten entwickelten Modelle für globale Mantelkonvektion. Diese Finite-Elemente-Modell ist vollkommen parallelisiert und basiert auf einem hocheffizienten Rechenverfahren. Es ist in der Lage, große rä,umliche Variationen in Materialeigenschaften (z. B. der Viskosität) zu verarbeiten und erlaubt lagrangian tracking mittels einer particle in cell (PIC)-Methode.

Derzeit wenden wir diesen Code an, um die altbekannte Frage nach dem Superkontinente-Zyklus (dem sog. Wilson-zyklus) weiterzuverfolgen. Außerdem beschäftigen wir uns auch mit der Aufspaltung von interner (radioaktiver) und Kernwärme im Energiehaushalt des Mantels sowie mit der temperaturgeschichtlichen Entwicklung der Erde und des Mars.

Magnethydrodynamische Konvektion im Erdmantel


Konvektion in einer sich
drehenden Flüssigkeit

Magnetohydrodynamische (MHD) Konvektion im flüssigen Erdkern ist die Quelle des erdmagnetischen Feldes; dieses Feld entsteht hierbei durch einen komplexen Dynamoprozess. Obwohl Albert Einstein dies zu einem der zehn wichtigsten ungelösten Probleme der modernen Physik erklärte, hat sich gezeigt, dass die Untersuchung dieses Dynamoprozesses sowohl im Laborexperiment als auch mithilfe von Rechnermodellen äußerst schwierig ist. Diese Schwierigkeit kommt daher, dass Dynamoprozsse aufgrund ihrer Natur (Satz von Cowling) in drei Dimensionen betrachtet werden müssen und dass man mehrere Größenordnungen (von wenigen Metern bis zur Ausdehnung des Erdkerns) gleichzeitig auflösen muss. Infolgedessen sollten numerische Modelle eines Dynamos für moderne Parallelrechner entwickelt werden, um den Vorteil der überragenden Rechenkapazitäten auszunutzen.

In Zusammenarbeit mit unserem ehemaligen Doktoranden Alexandre Fournier (derzeit Professor an der Universität Grenoble in Frankreich) und Rainer Hollerbach (Dozent an der Universität Glasgow im Vereinigten Königreich) behandelt die Münchner Geodynamikgruppe ein rechengitterbasiertes Dynamomodell, wobei ein gemischter Ansatz aus spektralen Elementen und Fourierserien benutz wird. Dieses Modell ist für moderne PC-Netzwerke (sog. Beowulf-Cluster) optimiert, die die kosteneffizienteste auf dem Markt erhältliche Hochleistungsplattform darstellen.

Geodynamische Datenanpassung

Gemlab1

Geodynamisches Erdmodell mit
sequentieller Datenanpassung

Ein grundsätzliches Problem der Geodynamik rührt von der Tatsache, dass viele beobachtete Eingrenzungsmöglichkeiten (wie etwa seismische Tomographie, der Geoid der Erde und geochemische Messungenfür den Erdmantel oder säkulare Veränderungen im Erdmagnetfeld für den Erdkern) von Natur aus an eine Anfangsbedingung von einem aus der Vergangenheit gebunden sind. Weil diese Anfangsbedingung notwendigerweise unbekannt ist, können Geodynamiker nicht hoffen, diese Beobachtungen in ihren konventionellen (vorwärtsmodellierten) Modellen auszunutzen.

Durch die Behandlung dieses fundamentalen Problems hat die Münchner Geodynamikgruppe viele neue Methoden zur Datenassimilation für geodynamische Modelle entwickelt. Unsere Gruppe führt die internationalen Anstrengungen in diesem aufregenden und grundsätzlich bedeutsamen neuen Gebiet an. Zum Beispiel entwarfen wir erstmals die (inverse) Theorie, die notwendig ist, um das Anfangswertproblem der Geodynamik zu formulieren. Wir haben außerdem das erste geodynamische Modell mit veränderlicher Datenassimilation entwickelt und implementiert.

Aufgrund ihrer Beschaffenheit sind geodynamische Inversionsmodelle rechenintensiv. Daher werden sie gerade erst brauchbar für moderne parallele PC-Netzwerke. Eine interdisziplinäre Anstrengung, die Beobachtungen und Datenauswahl, Inversionstheorie und numerische Medthoden beinhaltet, wird zusammen mit Hochleistungsrechnern benötigt, um die aktuelle Technologie zu fördern.

Seismische Wellenausbreitung durch ein geodynamische Erdmodell


Modell der globalen Wellenausbreitungn mit einer
Heterogenität (abgeleitet aus dem S-Wellen-Modell)

Der schnelle Vormarsch des Hochleistungsrechnens macht es nun möglich, die vollständige Wellengleichung numerisch zu lösen. Als Antwort auf dieser Herausforderung haben mehrere internationale Gruppen begonne, numerische Modelle für die Wellenausbreitung zu konstruieren. Die Münchner Seismologie-Gruppe ist weltweit führend in diesem spannenden neuen Feld der Seismologie: sie entwickelt und pflegt einige der fortschrittlichsten Modelle für seismische Wellenausbreitung, die momentan zur Verfügung stehen. (Siehe auch unter dem EU-geförderten SPICE Forschungs- und Bildungsnetzwerk, das von der Münchner Seismologie unter der Führung von Prof. H. Igel koordiniert wird.)

Mit der einzigartigen Stärke der Münchner Geodynamik und Seismologie als Grundlage haben diese beiden Forschungsgruppen sich zusammengetan, um die seismische Wellenausbreitung durch geodynamisch konsistente Erdmodelle zu erkunden. Diese Arbeit bezieht auch Prof. G. Steinle-Neumann vom Bayerischen GeoInstitut (BGI) in Bayreuth ein, der sich mit der Mineralphysik in der Anwendung der geodynamisch abgeleiteten Druck-Temperatur-Information auf elastische Konstanten, die durch seismische Beobachtungen erfasst wurden, beschäftigt. Wir betonen die langfristige Planung dieses Projektes, das weltweite Zusammenarbeit mit vielen Forschungsgruppen mit sich bringt und einzigartige Möglichkeiten für anspruchsvolle Dissertationen bietet.

Modernes Hochleistungsrechnen


Beowulf PC-Cluster (Geowulf)

Die Münchner Geophysik befasst sich seit 1991 mit moderenen Parallelrechenverfahren, die auf Message-passing und (anfangs) UNIX-Workstations (und später PCs (Beowulfs)) beruhen. Alleine während der letzten sechs Jahre wurden innerhalb diese internationalen Projektes mit großzügiger Unterstützung der National Science Foundation (NSF) zwei große PC-Cluster (mit mehr als 100 Prozessoren) gebaut. Dieser Beowulf-Cluster am Department f&uum;r Geowissenschaften der Universität Princeton - "Geowulf" genannt - war der erste von der NSF finanzierte PC-Cluster, der alleine der geophysikalischen Modellierung verschrieben war. Das neue Ikonendesign ist seitdem von vielen anderen Gruppen genutzt worden und hatte einen bedeutenden Einfluss auf die laufende Entwicklung der Infrastruktur in der geophysikalischen Modellierung.

Geowulf war usprünglich mit 136 Pentium II-Prozessoren und einem 100-BaseT-fully switched-Ethernet ausgestattet und wurde 1991 fertiggestellt. Dieser Cluster ist immer noch in Betrieb. Ein zweiter, high-end Beowulf, aufbauend auf 130 PentiumIV-Knoten und Dell Gigabit Switches, wurde 2003 gebaut. Diese Maschine, "Bladerunner" genannt, ist derzeit das hauptsächliche Arbeitspferd für die Geodynamo-Modellierung.

Derzeit bauen wir einen neuen groß angelegten Cluster für Modellierungsaufgaben am Department für Geo- und Umweltwissenschaften an der Universität München. Diese neue Maschine wird als Prototyp einer Hochleistungsrecheneinrichtung mit geophysikalischer Ausrichtung dienen.

Wir verfolgen aktiv Projekte im Bereich von Hochleistungsrechenverfahren und dazugehöriger Informationstechnologie. Dies beinhaltet Visualisierung, Datenspeicherung und -verwaltung sowie auch Fragen der Numerik und Parallelisierung.

von Richard BennettZuletzt verändert: 13.10.2018 13:09
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Ausgedruckt am 22.02.2020 18:53