Forskere beregner deres vej til jordens centrum

For mere fuldt ud at forstå kompleksiteten af ​​Jordens indre, menneskeheden er nødt til at grave dybt - bogstaveligt talt. Til dato, forskere har været i stand til at bore lidt over 12 kilometer dybt, eller omkring halvdelen af ​​den gennemsnitlige dybde af jordskorpen.

Hvorfor skal forskere kigge i dybere dybder? Både for bedre at forstå, hvordan jorden dannede, og hvordan interiøret kan have en effekt på vores liv på jordens overflade i dag, såsom af størrelsen og vendinger af Jordens magnetfelt.

Imidlertid, eksperimenter, der undersøger materialer under forhold dybt i jorden, er udfordrende, hvilket betyder, at for fortsat at få indsigt i disse fænomener, eksperimentalister skal vende sig til modellering og simulering for at understøtte og supplere deres indsats.

Til det formål, forskere ved Universitetet i Kölns Institut for Geologi og Mineralogi har henvendt sig til computerressourcer ved Jülich Supercomputing Center (JSC) for at hjælpe med bedre at forstå, hvordan materialer opfører sig under de ekstreme forhold under jordens overflade.

Holdet, ledet af Kölns Universitets prof. Dr. Sandro Jahn og Dr. Clemens Prescher, har brugt JSC's JUQUEEN supercomputer til at simulere strukturen af ​​smelter ved at studere silikatglas som et modelsystem til smeltninger under ultrahøje tryk. Holdet offentliggjorde for nylig sine første resultater i Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Forståelse af egenskaberne ved silikatsmelter og glas ved ultrahøjt tryk er afgørende for at forstå, hvordan Jorden har dannet sig i sin vorden, hvor nedslag fra store asteroider førte til en fuldstændig smeltet jord, " sagde Prescher. "Faktisk, hele den interne lagdelte struktur, vi kender i dag, blev dannet ved sådanne begivenheder. "

Det er et glas

Når de fleste mennesker tænker på ordet glas, de tænker på vinduer eller flasker. Glas, imidlertid, er et udtryk, der beskriver en bred vifte af ikke-krystal faste stoffer. Atomer i et fast stof kan organisere sig på en række forskellige måder, og materialer, der betragtes som briller, har nogle af de mere "kaotiske" atomare strukturer, der er mulige i faste stoffer.

Et glas kan også ses som en frossen smelte. Således ved at forstå egenskaberne af briller ved ultrahøje tryk, forskere kan få indsigt i smelternes egenskaber i den dybe Jords indre, give et klarere overblik over de fysiske processer, der har skabt Jorden og måske stadig forekommer i dag.

Ved hjælp af en række geofysiske målinger og laboratorieeksperimenter, forskere er i stand til at opnå en vis grad af indsigt i materialeegenskaber under bestemte trykforhold uden egentlig at kunne foretage direkte observationer.

Indtast supercomputing. Efterhånden som computerkraften er blevet stærkere, geofysikforskere er i stand til at supplere og udvide deres studier af disse indre jordprocesser ved at bruge numeriske modeller.

I tilfældet med forskere fra universitetet i Köln, de ønskede at få et mere detaljeret indblik i strukturen af ​​silikatglasset, end deres eksperimentelle indsats var i stand til at give. Holdet brugte ab initio beregninger af atomers elektroniske strukturer og satte disse beregninger i gang ved hjælp af simuleringer af molekylær dynamik. Ab initio-beregninger betyder, at forskere starter uden forudsætninger i deres matematiske modeller, gør en simulering dyrere, men også mere nøjagtig.

På grund af at have mange beregninger for hvert atoms struktur og beregningskrævende molekylære dynamikberegninger, holdet holder sine simuleringer relativt små i skala – holdets største kørsler har typisk mellem 200-250 atomer i simuleringen. Denne størrelse gør det muligt for teamet at køre simuleringer under en række forskellige tryk- og temperaturkombinationer, i sidste ende giver den mulighed for at beregne et lille, men repræsentativt udsnit af materialeinteraktioner under en række forskellige forhold.

For at teste sin model og lægge grundlaget for modellering af stadig mere komplekse materialeinteraktioner, holdet besluttede at simulere siliciumdioxid (SiO2), en fælles, velstuderet materiale, mest kendt som den forbindelse, der danner kvarts.

Blandt silikatmaterialer, SiO2 er en god kandidat at basere beregningsmodeller på - forskere forstår allerede, hvordan dets atomare strukturmønstre og materialeegenskaber ændrer sig under en række trykforhold.

Teamet valgte at fokusere på en forholdsvis enkel, velkendt materiale for at udvide det trykområde, det kunne simulere og forsøge at validere modellen med eksperimentelle data. Ved at bruge JUQUEEN, holdet var i stand til at udvide sin undersøgelse langt ud over de eksperimentelt opnåede 172 Gigapascal, svarende til 1,72 millioner gange Jordens atmosfæriske tryk, eller omtrent det tryk, som Eiffeltårnet ville udøve ved at trykke ned på spidsen af ​​en persons finger.

Forskerne fandt også ud af, at ved høje tryk, oxygenatomer er meget mere komprimerbare end siliciumatomer. Det varierende størrelsesforhold mellem de to fører til meget forskellige glasstrukturer af SiO2 ved lave og høje tryk.

Graver dybere

Ved at validere sin model, teamet føler sig overbevist om, at det kan gå videre til mere komplekse materialer og interaktioner. Specifikt, holdet håber på at udvide sine undersøgelser dybere ind i smelternes rige. Tænk på lava som en afsmeltning - smeltet sten bryder ud fra under jordens overflade, afkøles hurtigt, når det når overfladen, og kan danne obsidian, en glasagtig sten.

For at lave mere avancerede simuleringer af smeltninger, holdet vil gerne være i stand til at udvide sine simuleringer til at tage højde for en bredere vifte af kemiske processer samt udvide antallet af atomer i en typisk kørsel.

Som JSC og de to andre Gauss Center for Supercomputing (GCS) faciliteter – High-Performance Computing Center Stuttgart og Leibniz Supercomputing Center i Garching – installerer næste generations supercomputere, holdet er overbevist om, at de vil være i stand til at få endnu større indsigt i den brede vifte af komplekse materialeinteraktioner, der sker mange kilometer under overfladen.

"En hurtigere maskine vil gøre os i stand til at simulere mere komplekse smelter og glas, som er afgørende for at gå fra modelsystemer, såsom SiO2-glas i denne undersøgelse, til de virkelige kompositioner, vi forventer i Jordens indre, " sagde Prescher.

Prescher bemærkede også, at JSC supportmedarbejdere hjalp teamet med at arbejde mere effektivt ved at hjælpe med at implementere teamets kode.

Denne type support repræsenterer GCS' planer for fremtiden. Med løftet og muligheden forbundet med næste generations computerarkitekturer, GCS centerledelse indser, at tættere samarbejde med brugere og applikationsco-design vil være en nøglekomponent for at sikre, at forskere effektivt kan løse større, mere komplekse videnskabelige problemer.

Uanset om du studerer dybt i rummet blandt stjernerne eller dybt under jordens overflade, samarbejdet mellem supercomputercentre og forskere vil spille en stadig vigtigere rolle i løsningen af ​​verdens hårdeste videnskabelige udfordringer.