Globale hochaufgelöste Erdmodelle

Erstmaliges Eintauchen in den unzugänglichen Mantel dank VR

Ein gutes Verständnis der Konvektion im Erdmantel ist von fundamentaler Bedeutung, da sie die grundlegende Ursache für alle plattentektonischen Bewegungen der Erdoberfläche ist. Der langsame auf Kriechprozessen basierende Materialfluss, der in der rund 3000 km dicken Schicht aus festem Gestein unterhalb der tektonischen Platten auf Zeitskalen von hunderten von Millionen Jahren stattfindet, reguliert den Wärmetransport aus dem Erdinneren zur Oberfläche. Die dabei dem darunterliegenden Erdkern entzogene Wärmemenge hat ein starken Einfluss auf den Charakater und die Stärke des Erdmagnetfeldes. Die für die Mantelkonvektion verantwortlichen Auftriebskräfte treiben zudem die tektonischen Platten an und verändern so stetig die Erdoberfläche. Die Relativbewegung der Platten zueinander führt zum permanenten Aufbau von Spannungen an deren Grenzen, die sich durch stetig wiederkehrende Erdbebentätigkeit entladen. Präzise Kenntnisse der Kräfte im Erdmantel sind folglich eine Grundvoraussetzung um diese Naturkatastrophen zu modellieren. Leider sind bisher aber Modelle der Manteldynamik oft nur qualitativer Natur. Eines der grundlegenden Probleme ist, dass das tiefe Erdinnere unseres Planeten nicht für direkte in situ Messungen der relevanten Parameter zugänglich ist.

Glücklicherweise ermöglichen moderne Software und leistungsfähige Supercomputer die numerische Simulation komplexer dreidimensionaler Modelle der zeitlichen Entwicklung der Mantelkonvektion. Dabei sind heutzutage mit den Großrechnern des LRZ Modelle mit mehreren hundert Millionen Gitterzellen möglich, die uns quantitative Abschätzungen über die anders nicht bestimmbaren Parameter, wie etwa Auftriebskräfte und Temperatur, liefern, als auch Vorhersagen über das daraus resultierende Erdschwerefeld oder das seismische Wellenfeld ermöglichen, die mit Erdbeobachtung abgeglichen werden können. Durch 3-D Visualisierung der errechneten physikalischen Parameter, die die V2C Gruppe des LRZ erstellt, können wir unsere Modelle in einer bisher nie geahnten Weise untersuchen, so als ob wir selbst in das Erdinnere eintauchen würden. Dadurch werden die konvektiven Prozesse, die tausende von Kilometern unter unseren Füßen stattfinden durch Kombination von Simulation und high-end VR Techniken erstmals "zugänglich" gemacht. Zukünftige Supercomputer werden es ermöglichen, die nächste Generation an Mantelkonvektionsmodellen mit noch höhere Auflösung, und somit noch erdähnlicher, zu rechnen, so dass wir unserem Ziel, die enormen Kräfte an der Unterseite der tektonischen Platten zu quantifizieren, einen Schritt näher kommen können.