Строение Земли. Фото: Б. Шредер/HZDR/НАСА/Студия научной визуализации Центра космических полетов Годдарда
Как Земля генерирует свое магнитное поле? Хотя основные механизмы, кажется, понятны, многие детали остаются нерешенными. Группа исследователей из Центра изучения передовых систем в Центре имени Гельмгольца в Дрездене-Россендорфе, Национальной лаборатории Сандии (США) и Комиссии по альтернативной и атомной энергии Франции представила метод моделирования, который обещает новое понимание ядра Земли.
Метод, представленный в Трудах Национальной академии наук, моделирует не только поведение атомов, но и магнитные свойства материалов. Этот подход важен для геофизики и может способствовать развитию нейроморфных вычислений — подхода к более эффективным системам искусственного интеллекта.
Магнитное поле Земли имеет важное значение для поддержания жизни, поскольку оно защищает планету от космического излучения и солнечного ветра. Оно создается эффектом геодинамо. «Мы знаем, что ядро Земли в основном состоит из железа», — объясняет Аттила Канги, руководитель отдела машинного обучения для дизайна материалов в CASUS.
«По мере приближения к ядру Земли температура и давление увеличиваются. Повышение температуры приводит к плавлению материалов, в то время как увеличение давления сохраняет их твердыми. Из-за особых условий температуры и давления внутри Земли внешнее ядро становится твердым. в расплавленном состоянии, в то время как внутреннее ядро остается твердым».
Электрически заряженное жидкое железо течет вокруг твердого внутреннего ядра, движимое вращением Земли и конвекционными потоками. Эти движения производят электрические токи, которые, в свою очередь, генерируют магнитное поле планеты.
Однако важные вопросы о ядре Земли остаются без ответа. Например, какова точная структура его ядра? И какую роль играют дополнительные элементы, которые, как считается, присутствуют рядом с железом? Оба фактора могут существенно повлиять на эффект геодинамо.
Подсказки приходят из экспериментов, в которых ученые посылают сейсмические волны через Землю и измеряют их «эхо» с помощью высокочувствительных датчиков. «Эти эксперименты показывают, что ядро содержит больше, чем просто железо», — говорит Святослав Николов из Национальной лаборатории Сандии, ведущий автор исследования. «Измерения не согласуются с компьютерным моделированием, предполагающим наличие ядра из чистого железа».
Моделирование ударных волн на компьютере
Исследовательская группа достигла значительного прогресса, разработав и протестировав новый метод моделирования. Ключевое новшество метода, называемого молекулярно-спиновой динамикой, заключается в интеграции двух ранее отдельных подходов моделирования: молекулярной динамики, которая моделирует движение атомов, и спиновой динамики, которая учитывает магнитные свойства.
«Объединив эти два метода, мы смогли исследовать влияние магнетизма в условиях высокого давления и высокой температуры в масштабах длины и времени, которые ранее были недостижимы», — подчеркивает физик CEA Жюльен Транчида.
В частности, команда смоделировала поведение 2 миллионов атомов железа и их спинов, чтобы проанализировать динамическое взаимодействие между механическими и магнитными свойствами. Исследователи также применили искусственный интеллект (ИИ), используя машинное обучение для определения силовых полей — взаимодействий между атомами — с высокой точностью. Разработка и обучение этих моделей потребовали высокопроизводительных вычислительных ресурсов.
Как только модели были готовы, исследователи выполнили фактическое моделирование: цифровая модель из 2 миллионов атомов железа, представляющих ядро Земли, была подвергнута условиям температуры и давления, обнаруженным в недрах Земли. Это было сделано путем распространения волн давления через атомы железа, имитируя их нагрев и сжатие.
Когда скорость этих ударных волн была ниже, железо оставалось твердым и приобретало другую кристаллическую структуру. Когда ударные волны были быстрее, железо становилось в основном жидким. В частности, исследователи обнаружили, что магнитные эффекты существенно влияют на свойства материала.
«Наше моделирование хорошо согласуется с экспериментальными данными», — говорит Митчелл Вуд, ученый-материаловед из Национальной лаборатории Сандии, — «и они предполагают, что при определенных условиях температуры и давления определенная фаза железа может стабилизироваться и потенциально влиять на геодинамо».
Эта фаза, известная как фаза ОЦК, экспериментально не наблюдалась в железе в этих условиях, а только предполагалась. В случае подтверждения результаты метода молекулярно-спиновой динамики могут помочь решить несколько вопросов об эффекте геодинамо.
Откройте для себя новейшие достижения науки, технологий и космоса с более чем 100 000 подписчиков, которые ежедневно получают информацию от Phys.org. Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получайте обновления о прорывах, инновациях и важных исследованиях — ежедневно или еженедельно.
Использование энергоэффективного искусственного интеллекта
Помимо раскрытия новых подробностей о недрах Земли, этот метод также может способствовать технологическим инновациям в материаловедении. Как в своем отделе, так и в рамках внешнего сотрудничества Канги планирует использовать эту технику для моделирования нейроморфных вычислительных устройств.
Это новый тип аппаратного обеспечения, вдохновленный принципом работы человеческого мозга, который однажды сможет обрабатывать алгоритмы ИИ быстрее и более энергоэффективно. За счет цифровой репликации спиновых нейроморфных систем новый метод моделирования может способствовать разработке инновационных и эффективных аппаратных решений для машинного обучения.
Хранение данных открывает второе привлекательное направление для дальнейших исследований: магнитные домены вдоль крошечных нанопроводов могут служить носителями информации, которые будут быстрее и более энергоэффективны, чем традиционные технологии.
«В настоящее время не существует точных методов моделирования для обоих приложений», — говорит Канги. «Но я уверен, что наш новый подход сможет смоделировать необходимые физические процессы настолько реалистично, что мы сможем значительно ускорить технологическое развитие этих ИТ-инноваций».
Информация от: Ассоциацией немецких исследовательских центров имени Гельмгольца.
