Stanford University
格雷格beroza showing off earthquake data.

21世纪的地球科学是计算机密集型和数据驱动

卫星和超级计算机是岩石锤和现代地质学足球外围网他的研究涵盖了从气候变化预测和地震模拟,以能源资源优化色域的指南针。

通过KER比
时钟2017年11月1日

同时还有谁专门从事传统的实地考察地质学足球外围网,今天的地球科学足球外围网(其中地质学足球外围网,或地球科学足球外围网,是一个子集)是一个多样化的一群,其科学的范围从预测和减轻人类引起的气候变化的影响,以设计的防御反对囊括了自然灾害和创建向可再生能源未来的路径。

由21所采用的方法ST-Century地球科学足球外围网都毫不逊色多样:时下,在足球外围官网的科学足球外围网 School of Earth, 能源 & Environmental Sciences (斯坦福土)如可能在电子屏幕前发现,分析的遥感数据的洪流随着算法或模拟性质随着模型计算机,因为它们将被钻井冰芯南极或山脉收集的土壤样品蒙古。

“卫星和超级计算机是岩石锤和现代地质学足球外围网的指南针,”说 达斯汀施罗德在足球外围官网—最新备用网址物理学助理教授。

具有先进的计算技术彻底改变了地球科学,影响领域的科学足球外围网和学生不仅是如何获得他们的数据,却怎么也该数据被处理,建模和分析。 “有我们终于探索及其现实复杂性地球的能力,”说 埃里克·邓纳姆,地球物理学副教授。

邓纳姆的实验室专门开发的方程来描述物理方法如通过地球地震波传播与功能强大的计算机帮助解决这些问题。 “我们要么做一个预测有关系统的行为,或者我们通过一些真实世界的观察动机,然后尝试调整我们的计算机模拟,以更好地匹配数据。在这个过程中,我们了解到一些有关地球,”邓纳姆说。

卫星和超级计算机是岩石锤和现代地质学足球外围网的指南针。

珍妮Suckale的 研究还围绕着翻译的自然现象到可以操纵和建模,以产生对世界隐藏的真理方程。目前她的实验室正在试图解释令人费解的卫星图像,显示南极洲是由内而外的融化。 “从流向大海大陆内部形式的流冰,说:” suckale,谁是地球物理学助理教授。 “这些冰流是几乎像动脉,有助于从南极洲的中心海岸非常迅速运冰。它就像一个心脏出血在一定意义。”

suckale推测,被观察的不寻常的熔化是由于沿侧面弱点,或边缘,其中一些动脉。 “这是不一样的故事无处不在,” suckale说。 “利润率都很强,有的地方和其他非常薄弱。疲软的利润率允许冰流得更快。他们就像一个水滑梯扶手 - 如果扶手很滑,他们不会为你做任何事情。”

更好地了解保证金实力如何影响在南极洲冰流的流动,suckale减少问题一个著名的公式描述流体流动,被称为Navier-Stokes方程,这是她然后使用计算机来解决。 “有很多微妙的复杂性,这个等式,” suckale说。 “它描述了流动几乎一切。它描述为什么飞机飞,为什么鱼会游泳,为什么火山爆发,海啸为什么充电到岸边。它描述了在非洲的沙尘暴,并在南极洲我们显示,冰运动。 “

影响下一代硬件

根据 哈姆迪tchelepi,足球外围官网的共同主任 Center for Computational Earth & Environmental Science (CEES),地球科学足球外围网步道利用计算机资源的唯一的国防工业和互联网,他们的计算需求的背后可以影响下一代硬件的设计。 “地球科学是关于地质的,但它也对空气,水,油,气,用热的流动。这是一个很大的物理,需要大量的计算资源模型,” tchelepi,谁也是能源资源工程的足球外围官网—最新备用网址教授说。

tchelepi的同事 格雷格beroza 协调使用超级计算机在美国国足球外围网科学基金会和美国能源部模拟地面运动在南加州大地震研究工作。 “地震学足球外围网的能力用自己的非常大的计算机,”地球物理学足球外围网beroza,谁是足球外围官网的韦恩LOEL教授说。 “我们要求所有的计算能力来进行,我们正在使用推进地震危险性分析大型三维波传播的模拟。”

气候学足球外围网 诺亚Diffenbaugh的 仿真流程研究全球规模自然涉及到。他的研究小组使用超级计算机来模拟空气,水和土地地球气候控制之间复杂的相互作用也就是说,和他的团队的研究表明,大气飙升合作2 水平提高极端天气事件,如干旱,雨季和飓风的可能性和严重性。 “这将是巨大的,如果我们可以把气候系统在实验室和操纵它以可控的方式。不幸的是,我们不能做到这一点与整个地球,”说diffenbaugh,地球系统科学教授。 “我们可以利用这些模型做的是模拟,我们现在有气候,也从模拟前工业化时代的气候,从大气中消除人类的影响。”

海量数据的决策意识

今天的地球科学足球外围网必须将信息从各种来源的,包括卫星,基于飞行器的传感器和地面阵列流在洪水搏斗。为了编织所有这些复杂的数据流一起回答重要的科学问题,并告知决策者,足球外围官网的研究人员大地借鉴和整个工程的数字分析技术,计算机科学和数学发展的专业知识。

难道我们终于探索其实际的复杂性地球的能力。

当Beroza由流行歌曲匹配的Shazam应用灵感,创造出一种算法,可以快速扫描 大型地面运动DATABASES 具有类似抖动签名,或微震“波形”,他组建了一个团队的程序员,计算机科学足球外围网,数学足球外围网和的。 “在过去十年左右的时间,在地震学的主要发展趋势之一是利用波形相似性找到弱记录的地震,” beroza说。 “我们已经做那学到令人惊奇的事情。”

而微震不会威胁到建筑物或人,监视它们可以帮助科学足球外围网预测如何频繁,其中,较大的地震都可能发生。 beroza的研究小组最初计划通过采用高性能的超级计算机可以同时比较上千波形,以解决蛮力方式的问题。 “但我们很快就意识到,即使他们不能够处理的数据,我们要处理量,”奥赖利奥西恩,足球外围官网—最新备用网址博士后研究员谁专门从事地球物理应用数值分析和高性能计算说。

“因此,我们开始学习关于由计算机科学界为解决相关问题设计巧妙的算法,”奥赖利说。 “是什么让我兴奋的是发现,调整,并应用这些算法到我们自己的个人问题的最进程。”

奥赖利是在邓纳姆的实验室中,有两种不同的,但相互补充,各类科学足球外围网的博士后。 “我们有一群的人谁更感兴趣的应用程序和解决实际地球科学问题,谁更感兴趣的数值算法和编写代码的人之间的这种巨大的协同效应,”邓纳姆说。 “当你把那些两个组在一起,你可以做一个很大的进步。”

为了吸引更多的学生喜欢奥赖利,足球外围官网最近发射到地球的入门课程叫做大数据 知道你的星球:地球大 教导学生如何利用大规模集中对档案,卫星,智能手机和遥感设备的信息,以帮助解决环境和可持续发展挑战的能力。 “这些数据是在众多学科和工作今天高需求分析能力,”说 Gerritsen的玛戈,能源工程副教授和课程的合作讲师之一。

投资在尖端计算

跟上其研究人员的技术需求不断增加,足球外围官网—最新备用网址已经在高性能投入巨资计算许多倍比个人台式机或笔记本计算机更强大(HPC)资源。

而典型的膝上型可能包含一个单一的中央处理单元(CPU)的两个或四个“核心” HPC群集可共同容纳成千上万个可被编程以在并行地运行,大大增加他们的计算能力的CPU核心。而大学在中央HPC集群,被称为“福尔摩斯”,作为足球外围官网的研究人员一般资源,足球外围官网—最新备用网址教师也有机会获得一个单独的HPC集群CEES的一部分。 “足球外围官网—最新备用网址脱颖而出,成为足球外围官网更多计算密集的学校之一,说:”约翰淡水,足球外围官网—最新备用网址的首席信息官,”我们微调网络,计算机体系结构,数据访问和算法设计,使一切工作高效地协同“。

尝鲜

地球科学足球外围网一直保持在进步出来的计算机和电子行业的密切关注,他们往往是新的技术,适用于他们的研究热情尝鲜。例如,施罗德的实验室采用的是高科技巨头如Facebook的,谷歌和IBM聘请大和不断增长的数据量,并把它应用到冰川学领域工作的大数据的方法。他的团队用冰雷达数据,从空中调查收集了南极洲和格陵兰岛,并通过卫星轨道冰月如木星的木卫二的作品。

收集雷达从这些地方探测资料是非常昂贵和后勤困难,所以科学足球外围网们想要提取尽可能多的信息可能出来的数据。 “什么是我们的做法独特之处在于我们是不是在产生的图像和他们启用的解释只是有兴趣,而且在数据本身,”施罗德说。 “我们在使测量仪器工作;其中收集数据的实验;的信号处理算法,使得它可用;和分析方法,使有关冰盖地球物理推论“。

施罗德的选择的方法需要的计算资源的巨大数额,但我的团队说,他允许提取的信息更丰富的阵列中比传统的冰川无线的数据分析技术的数据。 “我忽然想到,这也这是更多的乐趣和有趣,”施罗德说。

足球外围官网的地球科学足球外围网 戴维·罗贝尔马歇尔·伯克 最近采用机器学习 - 设计计算机算法的科学性,从这些数据学习 - 高分辨率卫星图像,以 估计作物产量衡量贫困水平 从空间的非洲村庄。 “我很兴奋的是,这个卫星图像和大数据的新来源使我们前所未有的机会,了解世界的一些地方,我们另有数据非常少,”伯克说,地球系统科学的助理教授足球外围官网对粮食安全和环境中心的研究员。 “我们的希望是,这个新的数据源将使我们能够取得突破,以帮助缓解全球贫困。”

罗贝尔,地球系统科学教授,期待着在未来,数据会更便宜,更丰富。 “在过去,如果你想从空间监测的一个小农场,你需要一辆校车大小的卫星。但随着时间的推移,该卫星已经变得越来越小,所以从校车的尺寸,他们已经缩小到只有冰箱大小,现在一些新的Cubesat方面是鞋盒大小,”他说。 “我们可以训练我们的算法,使用更便宜的数据,如从手机,Cubesat上,无人驾驶飞机和图片,我们可以生成更多数据与做科学”。

这指数据在各地也可穿梭的速度疯涨,并且将有重大影响的地球科学足球外围网说斯特斯枫树,经理足球外围官网 地理信息中心,它提供数据可视化和空间分析支持许多足球外围官网—最新备用网址教师。 “随着时间的花费图像从收购移动分析平台,如谷歌的地球引擎从几周缩减到几天缩短到几小时,这些信息变成‘采取行动的情报,’”枫树说,“能够被用来阻止非法活动,如钓鱼的在限制区域,或皆伐耕种和放牧雨林“。

然而,尽管技术在地球科学的重要性日益增加,beroza认为总是会有传统的“靴子上的实地”实地考察的地方 - 尽管有一些高科技的升级。 “如今,激光测距雷达[光探测和测距]用于通过植被看地图风景和地震断层,并找个地方真正的野外工作的重点将是最有成效的,” beroza说。 “所以有很高的技术和传统技术之间的真正健康的协同效应。”

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