Modelovanie šírenia seizmických vĺn
Keď dôjde k významnej geologickej udalosti, ako je zemetrasenie, alebo veľký výbuch sopky, cez pevné a kvapalné vrstvy zemského povrchu sa šíria seizmické vlny (podobne ako sa zem trasie keď blízko nás prejde ťažký kamión alebo vlak). Tieto vlny sa dajú detegovať a merať pomocou vedeckých nástrojov, a modelovanie šírenia seizmických vĺn je úplne zásadnou podmienkou pre identifikáciu miest vzniku budúcich zemetrasení, výskum procesov prípravy a vzniku zemetrasení, predikcie seizmického pohybu na záujmovej lokalite, predpoveď účinkov zemetrasení na stavby a objekty, vyhľadávanie ložísk ropy, plynu, uhlia, kaolínu a ďalších surovín, zisťovanie hydraulických vlastností prírodných uhľovodíkových rezervoárov, monitorovanie vzniku a šírenia tsunami, monitorovanie prípravy vulkanických explózií, monitorovanie a lokalizáciu jadrových explózií a ďalšie seizmologické výskumy a praktické aplikácie.
Vnútri našej planéty prebieha mnoho fyzikálnych procesov. Ich zložitosť je dôsledkom komplexnej reológie vnútra Zeme a komplikovanej priestorovej závislosti hodnôt fyzikálnych a chemických parametrov v obrovskom škálovom rozsahu – od tisícov kilometrov po mikrometre. Pre skúmanie všetkých týchto procesov je dôležité poznať vlastnosti seizmického modelu a šírenia seizmických vĺn.
Unikátne fyzikálne vlastnosti seizmických vĺn sú dôvodom, prečo je statický seizmický model vnútra Zeme (model priestorového rozloženia fyzikálnych parametrov, ktoré určujú šírenie seizmických vĺn) absolútne najpresnejším modelom vnútra našej planéty, aj keď zďaleka ešte nepoznáme toľko a s takým priestorovým rozlíšením, aké je potrebné na spresnenie statického modelu a na pochopenie zásadných procesov vnútri planéty.
Čo znamená numericky modelovať šírenie seizmických vĺn? A prečo numericky? V homogénnom neobmedzenom dokonale elastickom izotrópnom prostredí sa dá šírenie vĺn popísať pomocou presných riešení. Ako je už však zrejmé, vnútro Zeme je priam dramaticky nehomogénne. Presné riešenia jeho fyzikálneho modelu neexistujú a treba použiť približné numerické metódy.
Tím numerického modelovania šírenia seizmických vĺn a seizmického pohybu FMFI UK a ÚVZ SAV (Peter Moczo, Jozef Kristek, Miriam Kristeková, Martin Gális, Dávid Gregor) vyvíjajú konečno-diferenčné (KD) metódy modelovania, ktoré sú dostatočne presné a výpočtovo efektívne.
P. Moczo a J. Kristek ako prví vôbec začali pracovať s rovnicami, ktoré majú rovnaký tvar na rozhraní i mimo rozhrania materiálov, čo je základnou podmienkou pre heterogénne schémy. Vyvinuli diskrétne sieťové reprezentácie spojitej i nespojitej materiálovej nehomogenity, ktoré sú dostatočne presné a výpočtovo efektívne. Takéto reprezentácie vyvinuli pre dokonale elastické a viskoelastické prostredia a najnovšie aj pre poroviskoelastické prostredie. Vďaka týmto reprezentáciám je KD metóda modelovania šírenia seizmických vĺn a seizmického pohybu výpočtovo efektívnejšia v povrchových sedimentárnych štruktúrach (v ktorých vznikajú najsilnejšie anomálne seizmické pohyby a teda aj škody pri zemetraseniach) ako iné výpočtové metódy. Numerické modelovanie je výpočtovo veľmi náročné a nie je možné skúmať realistické modely Zeme bez super-počítačov. Superpočítač Aurel významne pomáha.
Obrazok: Predpoveď hodnôt špičkovej rýchlosti seizmického pohybu na povrchu sedimentárnej výplne hlbokého alpského údolia v meste Grenoble, Francúzsko, na základe numerického modelovania seizmického pohybu v dôsledku hypotetického zemetrasenia na zlome Belledonne.
