Per comprendere più pienamente le complessità dell'interno della Terra, l'umanità deve scavare in profondità, letteralmente. Ad oggi, gli scienziati sono stati in grado di scavare a poco più di 12 chilometri di profondità, o circa la metà della profondità media della crosta terrestre.

Perché i ricercatori dovrebbero scrutare in profondità più profonde? Sia per capire meglio come si sia formata la terra e come l'interno possa avere un effetto sulla nostra vita sulla superficie della Terra oggi, come per la grandezza e le inversioni del campo magnetico terrestre.

Però, gli esperimenti che studiano i materiali in condizioni profonde nella Terra sono impegnativi, il che significa che per continuare ad acquisire conoscenze su questi fenomeni, gli sperimentatori devono ricorrere alla modellazione e alla simulazione per supportare e completare i loro sforzi.

A quello scopo, i ricercatori dell'Istituto di geologia e mineralogia dell'Università di Colonia si sono rivolti alle risorse di calcolo presso il Jülich Supercomputing Center (JSC) per comprendere meglio come si comportano i materiali nelle condizioni estreme sotto la superficie della Terra.

Il gruppo, guidato dal Prof. Dr. Sandro Jahn e dal Dr. Clemens Prescher dell'Università di Colonia, ha utilizzato il supercomputer JUQUEEN di JSC per simulare la struttura dei fusi studiando i vetri di silicato come sistema modello per i fusi a pressioni ultra elevate. Il team ha recentemente pubblicato i suoi primi risultati nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

"Comprendere le proprietà dei silicati fusi e dei vetri ad altissima pressione è fondamentale per capire come si è formata la Terra nella sua infanzia, dove gli impatti di grandi asteroidi hanno portato a una Terra completamente fusa, " disse Prescher. "In effetti, tutta la struttura interna a strati che conosciamo oggi si è formata in tali eventi".

È un bicchiere

Quando la maggior parte delle persone pensa alla parola vetro, pensano a finestre o bottiglie. Bicchiere, però, è un termine che descrive un'ampia gamma di solidi non cristallini. Gli atomi in un solido possono organizzarsi in vari modi, e i materiali considerati vetri hanno alcune delle strutture atomiche più "caotiche" possibili nei solidi.

Un bicchiere può anche essere visto come una fusione congelata. Quindi, comprendendo le proprietà dei vetri a pressioni ultra elevate, i ricercatori possono ottenere informazioni sulle proprietà dei fusi nelle profondità interne della Terra, fornendo una visione più chiara dei processi fisici che hanno creato la Terra e che potrebbero verificarsi ancora oggi.

Utilizzando una varietà di misurazioni geofisiche ed esperimenti di laboratorio, i ricercatori sono in grado di ottenere un certo grado di conoscenza delle proprietà dei materiali in determinate condizioni di pressione senza essere effettivamente in grado di effettuare osservazioni dirette.

Entra nel supercalcolo. Man mano che la potenza di calcolo è diventata più forte, i ricercatori di geofisica sono in grado di integrare ed espandere i loro studi su questi processi interni alla Terra attraverso l'uso di modelli numerici.

Nel caso dei ricercatori dell'Università di Colonia, volevano ottenere una visione più dettagliata della struttura del vetro di silicato di quanto i loro sforzi sperimentali fossero in grado di fornire. Il team ha utilizzato calcoli ab initio delle strutture elettroniche degli atomi e ha messo in moto questi calcoli utilizzando simulazioni di dinamica molecolare. Calcoli ab initio significano che i ricercatori iniziano senza ipotesi nei loro modelli matematici, rendere una simulazione più costosa dal punto di vista computazionale ma anche più accurata.

Avendo molti calcoli per la struttura di ciascun atomo e calcoli di dinamica molecolare impegnativi dal punto di vista computazionale, il team mantiene le sue simulazioni su scala relativamente piccola:le esecuzioni più grandi del team hanno in genere tra 200-250 atomi nella simulazione. Questa dimensione consente al team di eseguire simulazioni con una varietà di diverse combinazioni di pressione e temperatura, consentendo in definitiva di calcolare un campione piccolo ma rappresentativo di interazioni materiali in una varietà di condizioni.

Per testare il suo modello e gettare le basi per modellare interazioni materiali sempre più complesse, il team ha deciso di simulare il biossido di silicio (SiO2), un comune, materiale ben studiato, più noto come il composto che forma il quarzo.

Tra i materiali silicatici, SiO2 è un buon candidato su cui basare modelli computazionali:i ricercatori comprendono già come cambiano i modelli della sua struttura atomica e le proprietà dei materiali in una varietà di condizioni di pressione.

Il team ha scelto di concentrarsi su un metodo relativamente semplice, materiale ben noto per espandere l'intervallo di pressione che potrebbe simulare e tentare di convalidare il modello con dati sperimentali. Usando JUQUEEN, il team è stato in grado di estendere la sua indagine ben oltre i 172 Gigapascal ottenuti sperimentalmente, corrispondente a 1,72 milioni di volte la pressione atmosferica terrestre, o più o meno la quantità di pressione che la Torre Eiffel applicherebbe premendo sulla punta del dito di una persona.

I ricercatori hanno anche scoperto che ad alte pressioni, gli atomi di ossigeno sono molto più comprimibili degli atomi di silicio. Il rapporto dimensionale variabile tra i due porta a strutture di vetro estremamente diverse di SiO2 a basse e alte pressioni.

Scavando più a fondo

Convalidando il suo modello, il team è fiducioso di poter passare a materiali e interazioni più complessi. Nello specifico, il team spera di espandere le sue indagini più in profondità nel regno delle fusioni. Pensa alla lava come a una roccia fusa che erutta da sotto la superficie terrestre, si raffredda rapidamente quando raggiunge la superficie, e può formare ossidiana, una roccia vitrea.

Per eseguire simulazioni più avanzate dei fusi, il team vorrebbe essere in grado di espandere le sue simulazioni per tenere conto di una gamma più ampia di processi chimici, nonché espandere il numero di atomi in una corsa tipica.

Poiché JSC e le altre due strutture del Gauss Center for Supercomputing (GCS), il Centro di calcolo ad alte prestazioni di Stoccarda e il Centro di supercalcolo Leibniz di Garching, installano supercomputer di nuova generazione, il team è fiducioso di poter ottenere una visione ancora più ampia dell'ampia gamma di complesse interazioni tra materiali che si verificano a molti chilometri sotto la superficie.

"Una macchina più veloce ci consentirà di simulare fusi e vetri più complessi, fondamentale per passare da sistemi modello, come il vetro SiO2 in questo studio, alle composizioni del mondo reale che ci aspettiamo all'interno della Terra, " ha detto Prescher.

Prescher ha anche notato che il personale di supporto JSC ha aiutato il team a lavorare in modo più efficiente assistendo nell'implementazione del codice del team.

Questo tipo di supporto rappresenta i piani di GCS per il futuro. Con la promessa e l'opportunità connesse alle architetture informatiche di nuova generazione, La leadership del centro GCS si rende conto che una più stretta collaborazione con gli utenti e la co-progettazione delle applicazioni sarà una componente chiave per garantire che i ricercatori possano risolvere in modo efficiente problemi più grandi, problemi scientifici più complessi.

Sia che si studi in profondità nello spazio tra le stelle o in profondità sotto la superficie della Terra, la collaborazione tra centri di supercalcolo e ricercatori svolgerà un ruolo sempre più importante nella soluzione delle sfide scientifiche più difficili del mondo.