
Учёные раскрывают новые тайны ядра Земли
23 декабря 2024 года | Международная
Рубрика: Земля и почва
Этот метод моделирует не только поведение атомов, но и магнитные свойства материалов в экстремальных условиях. Их подход может значительно продвинуть геофизические исследования и проложить путь к технологическим инновациям, таким как нейроморфные вычисления — передовая область, направленная на создание более энергоэффективных систем искусственного интеллекта. Выводы команды были опубликованы в журнале PNAS.
Напомним, что магнитное поле Земли имеет жизненно важное значение для жизни, защищая планету от вредного космического излучения и солнечных ветров. Этот щит работает за счёт геодинамического эффекта, обусловленного движением расплавленного железа в ядре Земли.
Известно, что ядро Земли в основном состоит из железа. По мере приближения к ядру Земли температура и давление повышаются. Повышение температуры приводит к расплавлению материалов, в то время как повышение давления сохраняет их твёрдыми. Из-за особых условий температуры и давления внутри Земли внешнее ядро находится в расплавленном состоянии, в то время как внутреннее ядро остаётся твёрдым.
Поскольку электрически заряженное жидкое железо обтекает внутреннее ядро благодаря вращению Земли и конвекционным потокам, оно генерирует электрические токи, создавая магнитное поле, которое окутывает планету.
Несмотря на это, многие детали остаются нерешёнными. Учёные всё ещё изучают точную структуру ядра Земли и роль других элементов, помимо железа, которые могут влиять на геодинамический эффект. Сейсмические эксперименты дают ключ к разгадке: исследователи посылают ударные волны через Землю и измеряют эхо-сигналы с помощью чувствительных датчиков. Эти эксперименты показывают, что ядро содержит не только железо. Результаты измерений не согласуются с компьютерным моделированием, которое предполагает наличие ядра из чистого железа.
В настоящее время 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 к моделированию: молекулярной динамики, которая моделирует движение атомов, и спиновой динамики, которая учитывает магнитные свойства.
В частности, команда смоделировала поведение двух 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 провели фактическое моделирование: цифровая модель из двух миллионов атомов железа, представляющих ядро Земли, была подвергнута воздействию температуры и давления, характерных для недр Земли. Это было сделано путём распространения волн давления через атомы железа, имитируя их нагрев и сжатие. Когда скорость этих ударных волн была ниже, железо оставалось твёрдым 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.
Новые расчёты хорошо согласуются с экспериментальными данными, они предполагают, что при определённых условиях температуры и давления определённая 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.
Источник: PNAS
Земля и почва — последние новости
4 февраля | Марокко
2 февраля | Россия
1 февраля | Россия, Камчатский край
23 января | Международная
24 января | Международная
Последние международные эко-новости
5 февраля | Международная
4 февраля | Международная
31 января | Международная
24 января | Международная
23 января | Международная