Мантія – це величезний шар гірських порід між земною корою та ядром, на який припадає понад 80% об'єму нашої планети. Попри величезні масштаби, речовина всередині мантії рухається надзвичайно повільно – лише на кілька сантиметрів на рік. Про це пише Phys.
Як ШІ зміг відтворити рух мантії?
Ця повільна циркуляція має фундаментальне значення для Землі. Саме рух мантії пов'язаний із тектонікою плит, а отже, впливає на такі масштабні геологічні процеси, як землетруси та вулканічна активність. Проблема полягає в тому, що вчені практично не мають можливості безпосередньо спостерігати за глибокими шарами планети. Тому інформацію про мантію доводиться відновлювати за непрямими даними.
Дослідники аналізують геологічні свідчення давніх переміщень поверхні Землі, а також використовують геофізичні методи, зокрема сейсмічні спостереження. Однак відтворити не просто сучасний стан мантії, а її рух у минулому значно складніше. Саме цю проблему спробував розв'язати дослідник з Університету Цукуби за допомогою штучного інтелекту.
Що таке фізично інформована нейронна мережа?
В основі нового методу лежить physics-informed neural network – фізично інформована нейронна мережа, або PINN. Її особливість полягає в тому, що модель не просто навчається відтворювати закономірності в даних.
Алгоритм також повинен дотримуватися фізичних законів, які описують процеси всередині мантії. Зокрема, під час роботи модель враховує рівняння, що описують перенесення тепла та рух речовини. Такий підхід дозволяє поєднати можливості машинного навчання з фундаментальними законами фізики. Це особливо важливо для завдань, де дослідники не мають повного набору спостережень.
У новій роботі дослідник спочатку не використовував реальні дані Землі. Для перевірки методу він створив комп'ютерні симуляції двовимірної теплової конвекції мантії. Результати цих розрахунків стали еталонним рішенням, із яким потім порівнювали реконструкцію, отриману за допомогою ШІ.
Яку інформацію отримав штучний інтелект?
Для тестування моделі їй надали штучно створені спостереження, які імітували рух мантії поблизу поверхні Землі. Додатково алгоритм отримав інформацію про сучасний розподіл температури всередині мантії.
При цьому дослідники навмисно не повідомляли моделі частину ключової інформації.
Зокрема, ШІ не отримував безпосередніх даних про температурний стан мантії в минулому. Також йому не надали інформацію про рух речовини в її глибоких шарах.
Попри це, модель змогла відновити приховані параметри з високою точністю. Таким чином, алгоритм фактично використовував доступні йому непрямі ознаки, щоб реконструювати процеси, які безпосередньо спостерігати неможливо. Результат показав, що поєднання різних типів геофізичної інформації може бути критично важливим для відновлення реалістичної історії конвекції мантії.
Чому це важливо для вивчення Землі?
Розуміння того, як мантія рухалася в минулому, допомагає пояснити сучасний стан планети та масштабні геологічні процеси, які відбуваються на її поверхні.
Традиційні методи дослідження мають очевидне обмеження – люди не можуть безпосередньо зазирнути на великі глибини Землі та простежити рух мантії протягом геологічного часу. Тому вченим доводиться збирати картину з окремих непрямих свідчень.
Новий підхід може стати способом об'єднати такі дані в єдину фізично узгоджену модель. Замість того щоб аналізувати кожен тип спостережень окремо, система намагається знайти внутрішню картину мантії, яка одночасно відповідає доступним даним і законам фізики. Поки що метод перевіряли на синтетичних даних, отриманих за допомогою комп'ютерного моделювання. Тому результати не означають, що вчені вже отримали повну історію реальної мантії Землі.
Наступним важливим етапом стане застосування цього підходу до справжніх геофізичних спостережень. Якщо метод збереже свою точність у реальних умовах, він може допомогти дослідникам краще зрозуміти, як змінювалися надра планети протягом часу.
Таким чином, штучний інтелект у цьому випадку не просто аналізує великі масиви геологічних даних. Він намагається відновити те, чого немає в спостереженнях безпосередньо, використовуючи фізичні закони як додаткове обмеження. Це відкриває можливість по-новому досліджувати процеси, які відбуваються глибоко під поверхнею Землі.