Модели с использованием искусственного интеллекта проливают свет на тайны ядра Земли
Современные методы моделирования открывают новые возможности для понимания ядра Земли и обещают прогресс в области нейроморфных вычислений для искусственного интеллекта.
Как Земля генерирует свое магнитное поле? Хотя ученые понимают базовый процесс, лежащий в основе магнитного поля Земли, многие детали остаются неясными. Группа исследователей из Центра передового системного понимания (CASUS) в Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), Sandia National Laboratories в США и Французской комиссии по альтернативным источникам энергии и атомной энергии (CEA) разработала новаторский метод моделирования для более точного изучения ядра Земли.
Этот метод моделирует не только атомное поведение, но и магнитные свойства материалов в экстремальных условиях. Их подход может значительно продвинуть геофизические исследования, одновременно прокладывая путь для технологических инноваций, таких как нейроморфные вычисления — передовая область, нацеленная на создание более энергоэффективных систем ИИ.
Магнитный щит Земли
Магнитное поле Земли жизненно важно для жизни, защищая планету от вредного космического излучения и солнечного ветра. Этот щит питается эффектом гео-динамо, вызванным движением расплавленного железа внутри ядра Земли.
«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 увеличиваются как температура, так и давление. Повышение температуры заставляет материалы плавиться, в то время как повышение давления сохраняет их твердыми. Из-за особых условий температуры и давления внутри Земли внешнее ядро находится в расплавленном состоянии, а внутреннее ядро остается твердым».
Когда электрически заряженное жидкое железо течет вокруг внутреннего ядра из-за вращения Земли и конвекционных токов, оно генерирует электрические токи, создавая магнитное поле, которое окутывает планету.
Несмотря на это базовое понимание, многие детали остаются нерешенными. Ученые все еще изучают точную структуру ядра Земли и роль элементов, помимо железа, которые могут повлиять на эффект гео-динамо. Сейсмические эксперименты дают подсказки: исследователи посылают ударные волны через Землю и измеряют эхо с помощью чувствительных датчиков.
«Эти эксперименты показывают, что ядро содержит не только железо», — говорит Святослав Николов из Sandia National Laboratories, ведущий автор исследования. «Измерения не согласуются с компьютерным моделированием, которое предполагает чистое железное ядро».
Моделирование ударных волн на компьютере
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.
«Объединив эти два метода, мы смогли исследовать влияние магнетизма в условиях высокого давления и высокой температуры на масштабах длины и времени, которые ранее были недостижимы», — говорят ученые.
В частности, научная команда смоделировала поведение двух миллионов атомов железа и их спинов, 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.
После того, как модели были готовы, исследователи провели фактическое моделирование: цифровая модель из двух миллионов атомов железа, представляющая ядро Земли, была подвергнута воздействию температур и давлений, существующих в недрах Земли. Это было сделано путем распространения волн давления через атомы железа, имитируя их нагревание и сжатие. Когда скорость этих ударных волн была ниже, железо оставалось твердым и принимало различные кристаллические структуры. 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, и они предполагают, что при определенных условиях температуры и давления определенная фаза железа может стабилизироваться и потенциально влиять на гео-динамо», говорят исследователи.
Эта фаза, известная как фаза bcc, не наблюдалась экспериментально в железе в этих условиях, а только предполагалась. Если подтвердится, результаты метода молекулярно-спиновой динамики могут помочь решить несколько вопросов об эффекте гео-динамо.
Внедрение энергоэффективного ИИ
Помимо раскрытия новых подробностей о недрах Земли, этот метод также может способствовать технологическим инновациям в материаловедении. Ученые планируют использовать эту технику для моделирования нейроморфных вычислительных устройств.
Это новый тип оборудования, вдохновленный работой человеческого мозга, который однажды сможет обрабатывать алгоритмы ИИ быстрее и более энергоэффективно. Благодаря цифровой репликации спиновых нейроморфных систем новый метод моделирования может поддержать разработку инновационных, эффективных аппаратных решений для машинного обучения.
Хранение данных предлагает второе убедительное направление для дальнейших исследований: магнитные домены вдоль крошечных нанопроводов могут служить носителями информации, которые быстрее и энергоэффективнее обычных технологий.
«В настоящее время нет точных методов моделирования для обоих приложений», — говорит Аттила Канги. «Но я уверен, что наш новый подход может моделировать требуемые физические процессы настолько реалистичным образом, что мы можем значительно ускорить технологическую разработку этих ИТ-инноваций».
Результаты исследования были опубликованы в журнале PNAS.