Para comprender mejor las complejidades del interior de la Tierra, la humanidad tiene que cavar profundo, literalmente. Hasta la fecha, Los científicos han podido perforar un poco más de 12 kilómetros de profundidad, o aproximadamente la mitad de la profundidad promedio de la corteza terrestre.

¿Por qué los investigadores tendrían que profundizar más? Tanto para comprender mejor cómo se formó la tierra y cómo el interior podría tener un efecto en nuestra vida en la superficie de la Tierra hoy, como por la magnitud y las inversiones del campo magnético de la Tierra.

Sin embargo, Los experimentos que investigan materiales en condiciones profundas de la Tierra son un desafío, lo que significa que para continuar obteniendo conocimientos sobre estos fenómenos, los experimentadores deben recurrir al modelado y la simulación para respaldar y complementar sus esfuerzos.

Con ese fin, Los investigadores del Instituto de Geología y Mineralogía de la Universidad de Colonia han recurrido a los recursos informáticos del Centro de Supercomputación Jülich (JSC) para ayudar a comprender mejor cómo se comportan los materiales en las condiciones extremas debajo de la superficie de la Tierra.

El equipo, dirigido por el Prof.Dr. Sandro Jahn y el Dr. Clemens Prescher de la Universidad de Colonia, ha estado utilizando la supercomputadora JUQUEEN de JSC para simular la estructura de las masas fundidas mediante el estudio de los vidrios de silicato como un sistema modelo para las masas fundidas bajo presiones ultra altas. El equipo publicó recientemente sus hallazgos iniciales en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

"Comprender las propiedades de los silicatos fundidos y los vidrios a una presión ultra alta es fundamental para comprender cómo se formó la Tierra en su infancia, donde los impactos de grandes asteroides llevaron a una Tierra completamente fundida, "dijo Prescher." De hecho, toda la estructura de capas internas que conocemos hoy se formó en tales eventos ".

Es un vaso

Cuando la mayoría de la gente piensa en la palabra vidrio, piensan en ventanas o botellas. Vidrio, sin embargo, es un término que describe una amplia gama de sólidos no cristalinos. Los átomos de un sólido pueden organizarse de diversas formas, y los materiales considerados vidrios tienen algunas de las estructuras atómicas más "caóticas" posibles en los sólidos.

Un vaso también puede verse como una masa fundida congelada. Por lo tanto, al comprender las propiedades de los vidrios a presiones ultra altas, Los investigadores pueden obtener información sobre las propiedades de los deshielos en el interior de la Tierra profunda, proporcionando una visión más clara de los procesos físicos que hicieron la Tierra y que podrían estar ocurriendo todavía hoy.

Usando una variedad de mediciones geofísicas y experimentos de laboratorio, los investigadores son capaces de obtener cierto grado de conocimiento de las propiedades de los materiales bajo ciertas condiciones de presión sin poder realizar observaciones directas.

Entra en supercomputación. A medida que la potencia informática se ha vuelto más fuerte, Los investigadores en geofísica pueden complementar y ampliar sus estudios de estos procesos del interior de la Tierra mediante el uso de modelos numéricos.

En el caso de los investigadores de la Universidad de Colonia, querían obtener una visión más detallada de la estructura del vidrio de silicato que la que sus esfuerzos experimentales pudieron proporcionar. El equipo utilizó cálculos ab initio de las estructuras electrónicas de los átomos y puso estos cálculos en movimiento utilizando simulaciones de dinámica molecular. Los cálculos ab initio significan que los investigadores comienzan sin suposiciones en sus modelos matemáticos, haciendo una simulación más costosa computacionalmente pero también más precisa.

Debido a tener muchos cálculos para la estructura de cada átomo y cálculos de dinámica molecular computacionalmente exigentes, el equipo mantiene sus simulaciones a una escala relativamente pequeña; las ejecuciones más grandes del equipo suelen tener entre 200 y 250 átomos en la simulación. Este tamaño permite al equipo ejecutar simulaciones bajo una variedad de diferentes combinaciones de presión y temperatura, en última instancia, lo que le permite calcular una muestra pequeña pero representativa de interacciones de materiales en una variedad de condiciones.

Para probar su modelo y sentar las bases para modelar interacciones de materiales cada vez más complejas, el equipo decidió simular dióxido de silicio (SiO2), una común, material bien estudiado, más conocido como el compuesto que forma el cuarzo.

Entre los materiales de silicato, El SiO2 es un buen candidato en el que basar los modelos computacionales; los investigadores ya comprenden cómo cambian los patrones de su estructura atómica y las propiedades de los materiales bajo una variedad de condiciones de presión.

El equipo decidió centrarse en un método relativamente simple material conocido con el fin de ampliar el rango de presión que podría simular e intentar validar el modelo con datos experimentales. Usando JUQUEEN, el equipo pudo extender su investigación mucho más allá de los 172 Gigapascales obtenidos experimentalmente, correspondiente a 1,72 millones de veces la presión atmosférica de la Tierra, o aproximadamente la cantidad de presión que aplicaría la Torre Eiffel presionando la punta del dedo de una persona.

Los investigadores también encontraron que a altas presiones, Los átomos de oxígeno son mucho más comprimibles que los átomos de silicio. La relación de tamaño variable entre los dos conduce a estructuras de vidrio de SiO2 enormemente diferentes a presiones bajas y altas.

Cavar más profundo

Validando su modelo, el equipo se siente seguro de que puede pasar a materiales e interacciones más complejos. Específicamente, el equipo espera ampliar sus investigaciones más profundamente en el ámbito de los derretimientos. Piense en la lava como un derretimiento:la roca fundida brota de debajo de la superficie de la tierra, se enfría rápidamente cuando llega a la superficie, y puede formar obsidiana, una roca vidriosa.

Para realizar simulaciones más avanzadas de fundidos, al equipo le gustaría poder expandir sus simulaciones para tener en cuenta una gama más amplia de procesos químicos, así como expandir el número de átomos en una ejecución típica.

Mientras JSC y las otras dos instalaciones del Gauss Center for Supercomputing (GCS), el High-Performance Computing Center Stuttgart y el Leibniz Supercomputing Center en Garching, instalan supercomputadoras de próxima generación, el equipo confía en que podrán obtener una visión aún mayor de la amplia gama de interacciones complejas de materiales que ocurren a muchos kilómetros por debajo de la superficie.

"Una máquina más rápida nos permitirá simular fundiciones y vidrios más complejos, que es crucial para pasar de los sistemas modelo, como el vidrio SiO2 en este estudio, a las composiciones del mundo real que esperamos en el interior de la Tierra, "Dijo Prescher.

Prescher también señaló que el personal de soporte de JSC ayudó al equipo a trabajar de manera más eficiente al ayudar con la implementación del código del equipo.

Este tipo de apoyo representa los planes de GCS para el futuro. Con la promesa y la oportunidad conectadas a las arquitecturas informáticas de próxima generación, El liderazgo del centro de GCS se da cuenta de que una colaboración más estrecha con los usuarios y el codiseño de la aplicación será un componente clave para garantizar que los investigadores puedan resolver problemas más grandes de manera eficiente. problemas científicos más complejos.

Ya sea estudiando en las profundidades del espacio entre las estrellas o en las profundidades de la superficie de la Tierra, La colaboración entre los centros de supercomputación y los investigadores desempeñará un papel cada vez más importante en la solución de los desafíos científicos más difíciles del mundo.