För att mer fullständigt förstå komplexiteten i jordens inre, mänskligheten måste gräva djupt – bokstavligen. Hittills, forskare har kunnat borra lite över 12 kilometer djupt, eller ungefär hälften av det genomsnittliga djupet av jordskorpan.

Varför skulle forskare behöva titta på djupare djup? Både för att bättre förstå hur jorden bildades och hur det inre kan ha en effekt på vårt liv på jordens yta idag, t.ex. av storleken och omkastningarna av jordens magnetfält.

Dock, experiment som undersöker material vid förhållanden djupt i jorden är utmanande, vilket innebär att för att fortsätta få insikter om dessa fenomen, experimentalister måste vända sig till modellering och simulering för att stödja och komplettera sina ansträngningar.

För detta ändamål, forskare vid University of Cologne Institute for Geology and Mineralogy har vänt sig till datorresurser vid Jülich Supercomputing Center (JSC) för att bättre förstå hur material beter sig under de extrema förhållandena under jordens yta.

Laget, ledd av Kölns universitets professor Dr. Sandro Jahn och Dr. Clemens Prescher, har använt JSC:s JUQUEEN superdator för att simulera smältornas struktur genom att studera silikatglas som ett modellsystem för smältor under ultrahöga tryck. Teamet publicerade nyligen sina första resultat i Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Att förstå egenskaperna hos silikatsmältor och glas vid ultrahögt tryck är avgörande för att förstå hur jorden har bildats i sin linda, där stötar av stora asteroider ledde till en helt smält jord, " sade Prescher. "Faktiskt, hela den inre skiktade strukturen vi känner till idag bildades i sådana händelser."

Det är ett glas

När de flesta tänker på ordet glas, de tänker på fönster eller flaskor. Glas, dock, är en term som beskriver ett brett spektrum av icke-kristalliserade fasta ämnen. Atomer i ett fast ämne kan organisera sig på en mängd olika sätt, och material som anses vara glasögon har några av de mer "kaotiska" atomstrukturerna som är möjliga i fasta ämnen.

Ett glas kan också ses som en frusen smälta. Genom att förstå egenskaperna hos glasögon vid ultrahöga tryck, forskare kan få insikter om smältornas egenskaper i det djupa jordens inre, ger en klarare bild av de fysiska processer som skapade jorden och som fortfarande kan förekomma idag.

Med hjälp av en mängd olika geofysiska mätningar och laboratorieexperiment, forskare kan få en viss insikt i materialegenskaper under vissa tryckförhållanden utan att faktiskt kunna göra direkta observationer.

Ange superdatorer. I takt med att datorkraften har blivit starkare, geofysikforskare kan komplettera och utöka sina studier av dessa processer i den inre jorden genom att använda numeriska modeller.

När det gäller forskare vid universitetet i Köln, de ville få en mer detaljerad inblick i silikatglasets struktur än vad deras experimentella ansträngningar kunde ge. Teamet använde ab initio beräkningar av atomers elektroniska strukturer och satte dessa beräkningar igång med hjälp av molekylära dynamiksimuleringar. Ab initio beräkningar innebär att forskare börjar utan några antaganden i sina matematiska modeller, göra en simulering mer beräkningsmässigt dyrare men också mer exakt.

På grund av att ha många beräkningar för varje atoms struktur och beräkningskrävande molekyldynamikberäkningar, teamet håller sina simuleringar relativt små i skala – teamets största körningar har vanligtvis mellan 200-250 atomer i simuleringen. Denna storlek gör att teamet kan köra simuleringar under en mängd olika tryck- och temperaturkombinationer, slutligen gör det möjligt för den att beräkna ett litet men representativt urval av materialinteraktioner under en mängd olika förhållanden.

För att testa sin modell och lägga grunden för modellering av allt mer komplexa materialinteraktioner, teamet bestämde sig för att simulera kiseldioxid (SiO2), en vanlig, väl studerat material, mest känd som föreningen som bildar kvarts.

Bland silikatmaterial, SiO2 är en bra kandidat att basera beräkningsmodeller på - forskare förstår redan hur dess atomära strukturmönster och materialegenskaper förändras under en mängd olika tryckförhållanden.

Teamet valde att fokusera på en relativt enkel, välkänt material för att utöka tryckintervallet det skulle kunna simulera och försöka validera modellen med experimentella data. Använder JUQUEEN, laget kunde utöka sin undersökning långt bortom de experimentellt uppnådda 172 Gigapascals, motsvarande 1,72 miljoner gånger jordens atmosfärstryck, eller ungefär hur mycket tryck Eiffeltornet skulle utöva genom att trycka ner på en persons fingerspets.

Forskarna fann också att vid höga tryck, syreatomer är mycket mer komprimerbara än kiselatomer. Det varierande storleksförhållandet mellan de två leder till enormt olika glasstrukturer av SiO2 vid låga och höga tryck.

Gräver djupare

Genom att validera sin modell, teamet känner sig säkra på att det kan gå vidare till mer komplexa material och interaktioner. Specifikt, teamet hoppas kunna utöka sina undersökningar djupare in i smältornas rike. Tänk på lava som en smälta - smält sten bryter ut under jordens yta, svalnar snabbt när den når ytan, och kan bilda obsidian, en glasartad sten.

För att göra mer avancerade simuleringar av smältor, teamet skulle vilja kunna utöka sina simuleringar för att ta hänsyn till ett bredare utbud av kemiska processer samt utöka antalet atomer i en typisk körning.

När JSC och de andra två Gauss Center for Supercomputing (GCS)-anläggningarna – High-Performance Computing Center Stuttgart och Leibniz Supercomputing Center i Garching – installerar nästa generations superdatorer, teamet är övertygat om att de kommer att kunna få ännu större insikt i det breda utbudet av komplexa materialinteraktioner som sker många kilometer under ytan.

"En snabbare maskin kommer att göra det möjligt för oss att simulera mer komplexa smältor och glas, vilket är avgörande för att gå från modellsystem, såsom SiO2-glas i denna studie, till de verkliga kompositionerna vi förväntar oss i jordens inre, " sa Prescher.

Prescher noterade också att JSCs supportpersonal hjälpte teamet att arbeta mer effektivt genom att hjälpa till med att implementera teamets kod.

Denna typ av stöd representerar GCS planer för framtiden. Med löftet och möjligheten kopplade till nästa generations datorarkitekturer, GCS centerledarskap inser att närmare samarbete med användare och applikationssamdesign kommer att vara en nyckelkomponent för att säkerställa att forskare effektivt kan lösa större, mer komplexa vetenskapliga problem.

Oavsett om du studerar djupt i rymden bland stjärnorna eller djupt under jordens yta, samarbetet mellan superdatorcentra och forskare kommer att spela en allt viktigare roll för att lösa världens tuffaste vetenskapliga utmaningar.