|
Тайны формирования магнитного поля Земли
|
|
|
|
Как Земля генерирует свое магнитное поле? Хотя основные механизмы, по-видимому, понятны, многие детали остаются нерешенными. Команда исследователей из Центра углубленного изучения систем Дрезденского центра Гельмгольца в Россендорфе, Национальной лаборатории Сандиа (США) и Комиссии по альтернативной энергетике и атомной энергии Франции представила метод моделирования, который позволяет по-новому взглянуть на ядро Земли.
|
|
|
|
Метод, представленный в Proceedings of the National Academy of Sciences, моделирует не только поведение атомов, но и магнитные свойства материалов. Этот подход важен для геофизики и может способствовать развитию нейроморфных вычислений — подхода к созданию более эффективных систем искусственного интеллекта.
|
|
|
|
Магнитное поле Земли необходимо для поддержания жизни, поскольку оно защищает планету от космической радиации и солнечного ветра. Оно создается за счет геодинамического эффекта. "Мы знаем, что ядро Земли в основном состоит из железа", - объясняет Аттила Канги, руководитель отдела машинного обучения для проектирования материалов в CASUS.
|
|
|
|
"По мере приближения к ядру Земли температура и давление повышаются. Повышение температуры приводит к плавлению материалов, в то время как повышение давления сохраняет их твердыми. Из-за особых условий температуры и давления внутри Земли внешнее ядро находится в расплавленном состоянии, в то время как внутреннее ядро остается твердым."
|
|
|
|
|
|
|
Электрически заряженное жидкое железо обтекает твердое внутреннее ядро, движимое вращением Земли и конвекционными потоками. Эти движения создают электрические токи, которые, в свою очередь, генерируют магнитное поле планеты.
|
|
|
|
Однако важные вопросы о ядре Земли остаются без ответа. Например, какова точная структура ее ядра? И какую роль играют дополнительные элементы, которые, как считается, присутствуют наряду с железом? Оба фактора могут существенно повлиять на геодинамический эффект.
|
|
|
|
Ключ к разгадке дают эксперименты, в ходе которых ученые посылают сейсмические волны через Землю и измеряют их "эхо" с помощью высокочувствительных датчиков. "Эти эксперименты показывают, что ядро содержит не только железо", - говорит Святослав Николов из Национальной лаборатории Сандии, ведущий автор исследования. "Результаты измерений не согласуются с компьютерным моделированием, предполагающим наличие ядра из чистого железа".
|
|
Моделирование ударных волн на компьютере
|
|
|
|
В настоящее время исследовательская группа достигла значительного прогресса в разработке и тестировании нового метода моделирования. Ключевое новшество метода, получившего название молекулярно-спиновой динамики, заключается в интеграции двух ранее отдельных подходов к моделированию: 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 на протяженность и временные масштабы, которые ранее были недостижимы", - подчеркивает физик CEA Жюльен Траншида (Julien Tranchida).
|
|
|
|
В частности, команда смоделировала поведение 2 миллионов атомов железа и их спины, чтобы проанализировать динамическое взаимодействие между механическими и магнитными свойствами. Исследователи также использовали искусственный интеллект (ИИ), используя машинное обучение для определения силовых полей — взаимодействий между атомами — с высокой точностью. Разработка и обучение этих моделей требовали высокопроизводительных вычислительных ресурсов.
|
|
|
|
Как только модели были готовы, исследователи выполнили фактическое моделирование: Цифровая модель из 2 миллионов атомов железа, представляющая ядро Земли, была подвергнута воздействию температуры и давления, характерных для недр 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 принимало 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.
|
|
|
|
"Наши расчеты хорошо согласуются с экспериментальными данными, - говорит Митчелл Вуд, специалист по материаловедению из Национальной лаборатории Сандии, - и они предполагают, что при определенных условиях температуры и давления определенная фаза железа может стабилизироваться и потенциально влиять на геодинамику".
|
|
|
|
Эта фаза, известная как ОЦК-фаза, в железе в таких условиях экспериментально не наблюдалась, а только предполагалась. Если результаты метода молекулярно-спиновой динамики подтвердятся, это может помочь решить несколько вопросов, связанных с геодинамическим эффектом.
|
|
|
|
Создание энергоэффективного искусственного интеллекта
|
|
|
|
Помимо раскрытия новых деталей 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 этот метод для моделирования нейроморфных вычислительных устройств.
|
|
|
|
Это новый тип аппаратного обеспечения, основанный на том, как работает человеческий мозг, который в один прекрасный день сможет обрабатывать алгоритмы искусственного интеллекта быстрее и с большей энергоэффективностью. Благодаря цифровому воспроизведению нейроморфных систем, основанных на вращении, новый метод моделирования может способствовать разработке инновационных и эффективных аппаратных решений для машинного обучения.
|
|
|
|
Хранение данных открывает еще один привлекательный путь для дальнейших исследований: магнитные домены, расположенные вдоль крошечных нанопроводов, могут служить носителями информации, которые работают быстрее и энергоэффективнее, чем традиционные технологии.
|
|
|
|
"В настоящее время не существует точных методов моделирования ни для одного из приложений", - говорит Канги. "Но я уверен, что наш новый подход позволяет моделировать необходимые физические процессы настолько реалистично, что мы сможем значительно ускорить технологическое развитие этих ИТ-инноваций".
|
|
|
|
Источник
|
