Как Земля генерирует свое магнитное поле? Хотя учёные понимают основные процессы, лежащие в основе магнитного поля Земли, многие детали остаются неясными. Команда исследователей из Центра углубленного изучения систем Дрезденского центра Гельмгольца в Россендорфе, Национальной лаборатории Сандиа в США и Французской комиссии по альтернативной энергетике и атомной энергии разработала инновационный метод моделирования для более точного изучения ядра Земли.

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 остается 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.