‘We maken stappen, maar glazen bol is er nog niet’

Aan de faculteit Geowetenschappen van de Universiteit Utrecht wordt er onderzoek gedaan naar de ontwikkeling van de aardkorst. Met schaalmodellen en behulp van ict worden er inzichten gewonnen waarmee we het ontstaan en de verdere ontwikkeling van de aarde beter kunnen verklaren. Data zijn hierin cruciaal en moeten er uiteindelijk toe gaan leiden dat we bijvoorbeeld het ontstaan van gebergtes beter begrijpen of zelfs aardbevingen kunnen gaan voorspellen. Maar zo ver is het nog lang niet, meent onderzoeker Ernst Willingshofer. ‘We moeten dan met zoveel variabelen rekening houden, wat het lastig maakt om een model te ontwikkelen met een hoge nauwkeurigheid.’

Neem de botsing van de Arabische plaat met de Anatolische plaat in het huidige Turkije. De Anatolische plaat is relatief zacht en wordt door de hardere Arabische plaat in westelijke richting weggedrukt. ‘Vergelijk het met een Volvo die met een Fiat Panda botst’, probeert Willingshofer de theorie te verduidelijken. ‘Doorgaans geeft de Volvo niet mee. Dat geldt ook voor de Arabische aardplaat, die Anatolia in een omtrekkende beweging via het noordwesten naar het zuidwesten wegdrukt, richting de Egeïsche zee in Griekenland. Het wegdrukken van Anatolië is al ongeveer twaalf miljoen jaar gaande en vindt plaats langs grote breuken in de aardkorst, met als gevolg deels verwoestende aardbevingen zoals die in Izmit in 1999.’

Schaalmodellen

Hoe de aardplaten zich verplaatsen en dus ontwikkelen wordt via schaalmodellen in het onlangs geopende ‘Earth Simulation Laboratory’ aan de faculteit Geowetenschappen van de Universiteit van Utrecht onderzocht. Geavanceerde, zelf gebouwde machines drijven de verplaatsingen van aardplaten aan die uit materialen zijn opgebouwd, zoals zand of siliconen, die soortgelijk gedrag vertonen als aardlagen in de natuur. Op deze manier wordt gekeken hoe de aardlagen reageren op de druk die afkomstig is van plaatbewegingen.

Met oppervlaktescanners, gps-trackers, camera’s en sensoren worden zodoende data verzameld waarmee in een computerprogramma kan worden uitgerekend waar bijvoorbeeld breuken gaan ontstaan en wat de exacte hoeveelheid en richting van verplaatsing is. Uiteraard vindt alles geschaald plaats, waarbij vaak een lengteschaal van één op een miljoen wordt gebruikt. Ook de tijd wordt geschaald, een proces van miljoenen jaren wordt doorgaans in enkele dagen doorlopen, maar kan ook in minuten worden gesimuleerd.

Sensoren en data

‘It-technisch is dit zeer interessant’, aldus Peter Hessels. Als hoofd IT Geo ondersteunt hij onderzoeker Willingshofer. ‘Net als de machines die de schaalmodellen aandrijven, wordt op it-vlak ook veel zelf gemaakt. Hier is het heel anders dan in andere it-omgevingen. Net als dat de onderzoekers theorieën uitproberen, experimenteren wij met it. Wij ondersteunen de experimenten, waarbij veel kennis in de groepen zelf zit. Wij brengen onze specifieke it-kennis en ervaring met datamanagement in de groepen in. Ook het uitlezen van sensoren en hoe sensoren op te bouwen is expertise die wij inbrengen.’

Zowel onderzoekers als it’ers moeten dus zeer diep in de inhoudelijke materie zitten en daarom is bijna alles wat gebruikt wordt niet-standaard. ‘Intellectuele kracht is niet vast te leggen in een lijstje met requirements ’, vervolgt Hessels . ‘De eisen worden, zeker voor sensoren, tijdens de experimenten helder. De wisselwerking tussen de onderzoeker en de it’er is hier cruciaal. Als je van elkaar niet begrijpt wat er belangrijk is, dan kom je uit op twee heel verschillende lijstjes met requirements, en dus uiteindelijk op systemen die niet op elkaar aansluiten.’

Daarnaast ondersteunt it volgens Hessels bij het organiseren van de geodata. ‘Daar zit niet de kracht van de onderzoekers, daar laat it zijn kracht zien. Daarbij draait het om het gestructureerd opslaan, veiligstellen en ter beschikking stellen van data. Dit doen we via metadata-schema’s, zodat de data voor de wereldwijde onderzoekscommunity, die met nauw gerelateerde onderwerpen bezig is, vindbaar, toegankelijk en herbruikbaar zijn.’

High performance computing

Analoge schaalmodellen bestaan al meer dan honderd jaar, digitale schaalmodellen worden al een jaar of twintig gebruikt. Niks nieuws onder de zon dus op it-vlak zou je zeggen, maar dat geldt niet voor Hessels. ‘Het werk gebeurt al heel lang, alleen de fijnheid ervan wordt steeds beter door de computerrekenkracht. Zo hebben wij onze high performance computing (hpc) anderhalf jaar geleden vernieuwd. Voor experimentele situaties voor de ontwikkeling van modellen gebruiken wij onze eigen hpc, voor het grotere stampwerk kunnen wij bijvoorbeeld uitwijken naar de Cartesius van Surfnet.’

Qua rekenkracht zoekt Hessels altijd naar de meest gepaste werkwijze. ‘Daarbij pakken wij altijd best of breed; we zoeken naar de beste combinatie om onderzoek te ondersteunen. Daarom experimenteren we ook met it .’ Denk daarbij aan onderwerpen als het optimaliseren van computerprogramma’s, het parallel runnen van scripts in een hpc en de effecten van het al dan niet inzetten van grafische processoren (gpu’s). Hessels: ‘Op computerprogramma’s die dagen of soms weken draaien, kan een kleine aanpassing, in de software of in de computerconfiguratie, een enorm effect hebben op de doorlooptijd. Niet voor niets noemen we de ruimte waar de hpc staat ons ‘in silico laboratorium’.’

Feitelijk wordt er dus in zowel het onderzoek als met de it geëxperimenteerd. Computermodellen kunnen bijvoorbeeld de temperatuur bepalen, maar die kunnen weer geen breuken simuleren. Dat kan weer in een schaalmodel. Numerieke simulaties zoals it werken graag samen met de analoge simulaties vanwege de werkwijze van materialen. Beide aspecten kunnen volgens Hessels dus prima met elkaar worden gecombineerd.

Open source-community

‘We werken met modellen en software die door onze onderzoekers, en specialistische vakgenoten elders, ontwikkeld en gebruikt worden’, aldus Hessels. ‘Dat is software voor een beperkte, specialistische groep gebruikers. Op onze faculteit ontwikkelen we dan ook open source software, zodat die door vakgenoten gebruikt én verbeterd kan worden. In wetenschappelijke publicaties vinden we erkenning. Daarbij publiceren we de data die voor de publicatie gebruikt is. Steeds vaker publiceren we ook data die niet in publicaties gebruikt zijn, maar wel door andere wetenschappers gebruikt kunnen worden voor nadere analyse of onderzoek. ‘Open science’ noemen we dat.’

Technologisch worden de aardwetenschappers van de Universiteit dus goed ondersteund, al heeft onderzoeker Willingshofer nog wel een wensenlijstje voor de toekomst. ‘Virtual reality zie ik graag structureel worden toegevoegd aan onze onderzoeken. We hebben al eens vr op onze schaalmodellen gedaan en dan werd het bijvoorbeeld mogelijk om op de aardlaag te lopen. Zoiets geeft meer structuur aan de derde dimensie. Uiteindelijk wil je gaan voorspellen, maar daar moeten we nu nog wel heel erg voorzichtig mee zijn. Een aardbeving is van zoveel variabelen afhankelijk, voorlopig zien we die nog niet in onze glazen bol en blijft het mysterie rondom aardbevingen ver onder de aardbodem verborgen.’