- Superkomputer przewidzi, jak zachowa się miasto dotknięte trzęsieniem ziemi
- Sztuczna inteligencja określi intensywność wstrząsów w danym regionie
- Tempo w inteligentnym przewidywaniu kataklizmów nadają Japończycy
Codziennie na całym świecie dochodzi do kilkuset trzęsień ziemi, a w ciągu roku są ich dziesiątki tysięcy. Część niesie śmierć i zniszczenie. Myślące maszyny mogą pomóc nam wcześniej je przewidywać. I podpowiedzieć, jak projektować miasta, by w razie nadejścia kataklizmu nie zamieniały się w grobowce.
San Francisco, liczące wówczas 410 tysięcy mieszkańców, stało się 18 kwietnia 1906 roku wielkim rumowiskiem i pogorzeliskiem w wyniku zaledwie 65-sekundowego trzęsienia ziemi. Do dziś tamten wstrząs, który zamienił prawie całe miasto w ruinę, uważa się za jedną z najgorszych katastrof naturalnych w dziejach Stanów Zjednoczonych. Życie straciło około 3 tysięcy ludzi, a 300 tysięcy dach nad głową.
Wstrząsy wzdłuż uskoku San Andreas wystąpiły w pasie o długości 477 km, a odczuwalne były od Oregonu po Los Angeles. Przez wiele następnych lat miasto mozolnie dźwigało się z gruzów.
Najpierw były kasety
Jeszcze nieco ponad 30 lat temu użytkownicy 258-kilobajtowego komputera Atari bawili się grą Earthquake. Jej bohater musiał przetrwać w powalonym trzęsieniem z 1906 roku San Francisco. Gracze wgrywali ją do komputera z kasety magnetofonowej, używając odpowiednich komend i kombinacji klawiszy funkcyjnych. Aby ten proces, trwający kilkanaście minut, nie był zakłócony, nie mogły się pojawić żadne wstrząsy w rejonie pracujących urządzeń.
Nikt wtedy nawet nie myślał, że skutki nawiedzających Ziemię trzęsień będzie można precyzyjnie przewidywać za pomocą inteligentnych maszyn i superkomputerów.
Najszybszy dziś na świecie superkomputer Summit, zajmujący powierzchnię dwóch boisk do siatkówki, pomaga za pomocą symulacji wyobrazić sobie, jak zachowają się nawiedzone trzęsieniem miasta. Dzięki niemu Japończycy wygenerowali kod, za który w listopadzie 2018 roku otrzymali prestiżową nagrodę Gordona Bella, przyznawaną za niezwykłe osiągnięcia w dziedzinie obliczeń superkomputerów. Symulacje wstrząsów sejsmicznych i ich wpływu na budowle są teraz o wiele bardziej precyzyjne. To może być rewolucja zarówno w pracy sejsmologów, jak urbanistów, architektów czy konstruktorów.
Możliwość przewidywania przyszłych wstrząsów ziemi długo postrzegano jako fantazję rodem z science fiction. Początkowo większość badań sejsmologicznych sprowadzała się wyłącznie do analizy trendów trzęsień ziemi i przewidywania potencjalnych kataklizmów. Precyzyjne przewidzenie czasu i skali zjawiska było niemożliwe.
Prognozowaniem dla bardzo krótkich okresów poprzedzających trzęsienie ziemi zajmują się m.in. biolodzy. Już zapisy z 373 r. p.n.e. podają, że zwierzęta – głównie szczury i węże – uciekły z jednego z greckich miast na kilka dni przed trzęsieniem ziemi, które później całkowicie je zniszczyło. I choć w połowie XX wieku, badając te zjawiska, amerykańscy naukowcy stwierdzili, że zachowania zwierząt nie pomagają w przewidywaniu zjawisk sejsmologicznych, japońscy i chińscy badacze nadal z uporem prowadzili w tym zakresie eksperymenty.
W 1975 r. w chińskim mieście Haicheng ewakuowano mieszkańców kilka dni przed trzęsieniem ziemi, bazując na obserwacjach niespokojnych zwierząt – zebry w zoo uderzały głowami o ogrodzenie, a na ulice miasta wyległo tysiące żab. Gdyby nie reakcja na czas, dziesiątki tysięcy mieszkańców prawdopodobnie nie przeżyłyby kataklizmu o sile 7,3 stopnia w skali Richtera.
W latach 70. włoscy naukowcy próbowali badać występowanie w atmosferze radonu, radioaktywnego szlachetnego gazu, tuż przed zbliżającymi się trzęsieniami. Natomiast z badań Indonezyjczyków z początku XXI wieku wynika, że przed samym trzęsieniem ziemi charakterystycznemu spiętrzeniu ulegają chmury.
Z osobna każda z tych metod okazała się mało skuteczna, ponieważ obie były obarczone zbyt dużą liczbą błędów prowadzących do wielu fałszywych alarmów. Jednak związane z nimi dane nadal są brane pod uwagę w interdyscyplinarnej metodzie przewidywania trzęsień ziemi.
Bazująca na coraz bardziej dostępnych informacjach, pomiarach i obliczeniach metoda przewidywania wstrząsów Ziemi rozwija się ostatnio w gwałtownym tempie. Rosyjscy eksperci w 2015 roku stwierdzili, że na podstawie dostępnych danych satelitarnych o stanie atmosfery można wykryć już najwcześniejsze etapy silnych procesów sejsmicznych.
Udowodnili, że anomalie atmosferyczne występują m.in. z powodu pojawienia się prądu elektrycznego, płynącego między powierzchnią ziemi i jonosferą. Prąd wytwarzały pyły, drobne kamienie i aerozole ogrzewane parą wodną, która w najwcześniejszych etapach trzęsień jest wyrzucana z ziemi. Zjawisko to nosi nazwę „jonosferycznego prekursora trzęsień ziemi”.
Obecnie do gry wkraczają możliwości, które daje sztuczna inteligencja. Ma ona nie tylko wspomóc przewidywanie, ale także unikanie negatywnych skutków kataklizmów. Japończycy wygenerowali kod, który niezwykle wzmocnił precyzyjność symulacji trzęsień
Dzięki sztucznej inteligencji naukowcy są dziś w stanie obliczyć i przewidzieć maksymalną intensywność trzęsień ziemi w każdym zakątku świata. Algorytmy SI wspomagają ich w ustaleniu, czy kataklizm nawiedzi dany region w perspektywie 50 lat. Co prawda, takie przewidywania nie są jeszcze uznawane za wysoce precyzyjne, ale sytuacja ma się zmienić już w bliskiej przyszłości.
Sztuczna inteligencja modeluje także ruchy płyt tektonicznych na podstawie danych geologicznych, wykorzystując inne pozyskane przez naukowców informacje.
Superkomputer i symulacje
W 2015 roku japońscy inżynierowie przeprowadzili symulację trzęsienia ziemi na 10-piętrowym budynku. 30-metrowy szkielet z betonu to największa tego typu konstrukcja, jaką kiedykolwiek w ten sposób testowano. Wytrzymała próbę.
Symulacje przeprowadzane przez inżynierów w praktyce i wirtualnie wymagają jednak dużej dokładności, by ich wyniki w miarę przyzwoicie pasowały do rzeczywistości. Obliczenia zabierają sporo czasu, a to pochłania dużo energii i jest kosztowne.
Japończycy poszli więc dalej. Naukowcy z Instytutu Badań Trzęsień Ziemi Uniwersytetu w Tokio oraz japońskiego centrum badawczego RIKEN wykorzystali metodę mieszaną: sztuczną inteligencję i obliczenia matematyczne. Pozwoliło to stworzyć zupełnie nowy kod do symulacji o niespotykanej dotąd wydajności i precyzji. Badacze wykorzystali algorytmy i obliczenia ewolucyjne do zobrazowania fizyki wstrząsów sejsmicznych w aglomeracjach miejskich. I to właśnie w ich ręce powędrowała prestiżowa nagroda Gordona Bella, najwyższe wyróżnienie na rynku superkomputerów.
„W dziedzinie informatyki istnieje duża luka między sztuczną inteligencją a symulacjami opartymi na fizyce” – powiedział Tsuyoshi Ichimura w wywiadzie dla portalu uniwersyteckiego u-tokyo.ac.jp, szef zespołu badaczy. Naukowcy czuli, że istnieje możliwość zwiększenia wydajności symulacji poprzez wypełnienie tej luki. „I to uczucie okazało się prawdziwe. Spodziewamy się, że ten kod znajdzie drogę do nowej generacji symulatorów” – podsumował Ichimura.
W nowej metodzie chodzi o to, że różne warstwy ziemi oraz budynki ustawione na nich i ulokowane pod ziemią zachowują się inaczej podczas trzęsienia ziemi. Interakcje między tymi warstwami wyjaśniają złożoność modeli trzęsień ziemi. Do wykreowania nowego kodu Japończycy wykorzystali superkomputer Summit, znajdujący się w Oak Ridge National Laboratory w USA.
Summit wszechmocny
Summit jest w tej chwili najszybszym i najwydajniejszym komputerem świata (choć wkrótce będzie zdetronizowany). Po raz pierwszy zaprezentowano go w czerwcu 2018 roku. Zajmuje powierzchnię dwóch boisk do siatkówki i waży ponad 340 ton, czyli tyle, ile 27 tysięcy laptopów. Ma blisko 10 tysięcy procesorów i ponad 27 tysięcy jednostek przetwarzania graficznego – zaawansowanych wersji tych, które znajdują się w komputerach do gier.
Działa z wydajnością 147 petaflopsów. Ile to jest? Gdyby wszyscy żyjący obecnie ludzie wykonywali jedno zadanie matematyczne na sekundę, to w ciągu roku wykonaliby tyle obliczeń, na ile Summitowi potrzeba sekundy.
Japońscy uczeni wierzą, że efekt ich pracy, czyli kod i nowy rodzaj symulacji fizycznych, pomoże ludziom lepiej zrozumieć, przewidzieć i przygotować się na trzęsienia ziemi. Skoro dzięki sztucznej inteligencji możemy już prognozować te zjawiska w odległej przyszłości, symulacje oparte na nowych odkryciach pokażą nam, jak projektować budowle i budować miasta, by ograniczyć skutki sejsmicznych kataklizmów.