Afin de mieux comprendre les complexités de l'intérieur de la Terre, l'humanité doit creuser profondément, littéralement. À ce jour, les scientifiques ont pu forer un peu plus de 12 kilomètres de profondeur, soit environ la moitié de la profondeur moyenne de la croûte terrestre.

Pourquoi les chercheurs auraient-ils besoin de scruter des profondeurs plus profondes ? À la fois pour mieux comprendre comment la terre s'est formée et comment l'intérieur pourrait avoir un effet sur notre vie à la surface de la Terre aujourd'hui, comme par l'amplitude et les inversions du champ magnétique terrestre.

Cependant, les expériences sur les matériaux dans des conditions profondes dans la Terre sont difficiles, ce qui signifie que pour continuer à mieux comprendre ces phénomènes, les expérimentateurs doivent se tourner vers la modélisation et la simulation pour soutenir et compléter leurs efforts.

À cette fin, Des chercheurs de l'Institut de géologie et de minéralogie de l'Université de Cologne se sont tournés vers les ressources informatiques du Jülich Supercomputing Center (JSC) pour mieux comprendre le comportement des matériaux dans les conditions extrêmes sous la surface de la Terre.

L'équipe, dirigé par le Prof. Dr. Sandro Jahn et le Dr. Clemens Prescher de l'Université de Cologne, utilise le supercalculateur JUQUEEN de JSC pour simuler la structure des masses fondues en étudiant les verres au silicate comme système modèle pour les masses fondues sous des pressions ultra-élevées. L'équipe a récemment publié ses premières conclusions dans le Actes de l'Académie nationale des sciences .

« Comprendre les propriétés des masses fondues de silicate et des verres à ultra-haute pression est crucial pour comprendre comment la Terre s'est formée à ses débuts, où les impacts de gros astéroïdes ont conduit à une Terre complètement fondue, " dit Prescher. " En fait, toute la structure interne en couches que nous connaissons aujourd'hui s'est formée lors de tels événements."

C'est un verre

Quand la plupart des gens pensent au mot verre, ils pensent à des fenêtres ou à des bouteilles. Un verre, cependant, est un terme décrivant une large gamme de solides non cristallins. Les atomes d'un solide peuvent s'organiser de différentes manières, et les matériaux considérés comme des verres ont certaines des structures atomiques les plus "chaotiques" possibles dans les solides.

Un verre peut également être considéré comme une fonte congelée. Ainsi en comprenant les propriétés des verres aux ultra hautes pressions, les chercheurs peuvent mieux comprendre les propriétés des fontes dans les profondeurs de l'intérieur de la Terre, offrant une vision plus claire des processus physiques qui ont fait la Terre et pourraient encore se produire aujourd'hui.

En utilisant une variété de mesures géophysiques et d'expériences en laboratoire, les chercheurs sont capables d'acquérir un certain degré de compréhension des propriétés des matériaux dans certaines conditions de pression sans être réellement en mesure de faire des observations directes.

Entrez supercalcul. Alors que la puissance de calcul s'est renforcée, les chercheurs en géophysique sont en mesure de compléter et d'étendre leurs études sur ces processus internes à la Terre grâce à l'utilisation de modèles numériques.

Dans le cas des chercheurs de l'Université de Cologne, ils voulaient avoir un aperçu plus détaillé de la structure du verre de silicate que leurs efforts expérimentaux n'étaient en mesure de fournir. L'équipe a utilisé des calculs ab initio des structures électroniques des atomes et a mis ces calculs en mouvement à l'aide de simulations de dynamique moléculaire. Les calculs ab initio signifient que les chercheurs commencent sans hypothèses dans leurs modèles mathématiques, rendant une simulation plus coûteuse en calculs mais aussi plus précise.

En raison des nombreux calculs pour la structure de chaque atome et des calculs de dynamique moléculaire exigeants en termes de calcul, l'équipe maintient ses simulations à une échelle relativement petite - les plus grandes séries de l'équipe ont généralement entre 200 et 250 atomes dans la simulation. Cette taille permet à l'équipe d'exécuter des simulations sous différentes combinaisons de pression et de température, lui permettant finalement de calculer un échantillon petit mais représentatif d'interactions matérielles dans diverses conditions.

Pour tester son modèle et poser les bases d'une modélisation d'interactions matières de plus en plus complexes, l'équipe a décidé de simuler du dioxyde de silicium (SiO2), Un commun, matériel bien étudié, plus connu comme le composé qui forme le quartz.

Parmi les matériaux silicatés, Le SiO2 est un bon candidat sur lequel baser des modèles informatiques. Les chercheurs comprennent déjà comment ses modèles de structure atomique et les propriétés de ses matériaux changent dans diverses conditions de pression.

L'équipe a choisi de se concentrer sur une méthode relativement simple, matériau bien connu afin d'élargir la gamme de pression qu'il pourrait simuler et tenter de valider le modèle avec des données expérimentales. En utilisant JUQUEEN, l'équipe a pu étendre son enquête bien au-delà des 172 Gigapascals obtenus expérimentalement, correspondant à 1,72 million de fois la pression atmosphérique terrestre, ou à peu près la quantité de pression que la Tour Eiffel appliquerait en appuyant sur le bout du doigt d'une personne.

Les chercheurs ont également découvert qu'à des pressions élevées, les atomes d'oxygène sont beaucoup plus compressibles que les atomes de silicium. Le rapport de taille variable entre les deux conduit à des structures de verre de SiO2 extrêmement différentes à basse et à haute pression.

Creuser plus profond

En validant son modèle, l'équipe est convaincue qu'elle peut passer à des matériaux et des interactions plus complexes. Spécifiquement, l'équipe espère étendre ses investigations plus profondément dans le domaine des fontes. Considérez la lave comme une fonte :de la roche en fusion jaillit de sous la surface de la terre, se refroidit rapidement lorsqu'il atteint la surface, et peut former de l'obsidienne, une roche vitreuse.

Afin de faire des simulations plus avancées de fontes, l'équipe aimerait pouvoir étendre ses simulations pour prendre en compte un plus large éventail de processus chimiques ainsi qu'augmenter le nombre d'atomes dans une exécution typique.

En tant que JSC et les deux autres installations du Gauss Center for Supercomputing (GCS) - le High-Performance Computing Center de Stuttgart et le Leibniz Supercomputing Center de Garching - installent des supercalculateurs de nouvelle génération, l'équipe est convaincue qu'elle sera en mesure de mieux comprendre le large éventail d'interactions complexes de matériaux qui se produisent à plusieurs kilomètres sous la surface.

« Une machine plus rapide nous permettra de simuler des fontes et des verres plus complexes, ce qui est crucial pour passer des systèmes modèles, comme le verre SiO2 dans cette étude, aux compositions du monde réel que nous attendons à l'intérieur de la Terre, " a déclaré Prescher.

Prescher a également noté que le personnel de soutien de JSC a aidé l'équipe à travailler plus efficacement en aidant à mettre en œuvre le code de l'équipe.

Ce type de soutien représente les projets de GCS pour l'avenir. Avec la promesse et l'opportunité liées aux architectures informatiques de nouvelle génération, La direction du centre GCS se rend compte qu'une collaboration plus étroite avec les utilisateurs et la co-conception d'applications seront un élément clé pour garantir que les chercheurs peuvent résoudre efficacement des problèmes plus importants, problèmes scientifiques plus complexes.

Qu'il s'agisse d'étudier au plus profond de l'espace parmi les étoiles ou au plus profond de la surface de la Terre, la collaboration entre les centres de calcul intensif et les chercheurs jouera un rôle de plus en plus important dans la résolution des défis scientifiques les plus difficiles au monde.