De kern van de aarde is een uitzonderlijk moeilijke plek om te studeren. Zijn diepten dalen een duizelingwekkende 2, 900 kilometer - ongeveer de afstand van New York City naar Denver - en zijn extreme, buitenaardse omstandigheden zijn buitengewoon uitdagend om in het laboratorium te simuleren.

Voor wetenschappers zoals de assistent-professor Mainak Mookherjee van de Florida State University en zijn postdoctoraal onderzoeker Suraj Bajgain, wiens levenswerk het is om de mysteries te doorgronden die verborgen zijn in de onmogelijke diepten van de kern, dit zijn ernstige en hardnekkige wegversperringen. Maar in een nieuwe studie gepubliceerd in het tijdschrift Geofysische onderzoeksbrieven , Mookherjee en zijn team gebruikten krachtige supercomputertechnieken om deze obstakels te omzeilen en een kritische ontdekking te doen over de chemische samenstelling van de kern.

Samen met collega's van Rice University en Louisiana State University, Mookherjee en Bajgain gebruikten minutieus gekalibreerde simulaties om de maximale hoeveelheid stikstof te bepalen die mogelijk in de buitenste kern van de aarde kan bestaan:ongeveer 2 procent per gewicht aan de kern-mantelgrens, en ongeveer 2,6 gewichtsprocent bij de binnenkerngrens.

"Dit is een inzichtelijke oefening omdat het de bovenste stikstofgrens in de buitenste kern geeft, " zei Mookherjee. "We zorgen voor maximale beperking van de overvloed aan een element dat een belangrijk onderdeel is van de atmosfeer van een bewoonbare planeet. Dat is de fundamentele bevinding."

Stikstof is de sleutel tot organische stof, en hoe stikstof wordt opgeslagen in het rotsachtige en metalen binnenste van de planeet is een cruciaal maar ongrijpbaar stuk informatie.

"Als een planeet zich vormt, grootte van de planeet en hoeveel stikstof - of een ander lichtelement - in de kern wordt gezogen, is erg belangrijk, " zei Mookherjee. "Als je het leven als organisch leven beschouwt, koolstof en stikstof zijn belangrijke bestanddelen. Maar als alle stikstof in de kern gaat, er is niets meer over om organisch leven te voeden."

Vragen over welke elementen in de ketel van de kern van de aarde draaien, houden aardwetenschappers al lang voor een raadsel. Belangrijke dissonanties in de heersende seismologische en geochemische modellen zijn onverklaard gebleven, en analyses van meteorieten die het bulkachtige rotsachtige materiaal van de aarde nauwkeurig modelleren, suggereren dat we meer stikstof in het binnenste van onze planeet zouden moeten zien. Deze inconsistenties roepen verbijsterende vragen op.

"Geochemisch bewijs wijst vaak op het feit dat het binnenste van de aarde zou kunnen zijn uitgeput in termen van stikstofvoorraad, ' zei Mookherjee. 'Ontbreken we het? Is het verborgen in de kern? Dit zijn onbekenden. Er zijn verschillende modellen, maar het is onmogelijk om toegang te krijgen tot de kern van de aarde, en we hebben geen direct bewijs van het vormingsproces van de planeet, inclusief herverdeling van elementen. We proberen conclusies te trekken door bewijzen bij elkaar te voegen."

Mookherjee omzeilde de aanzienlijke uitdagingen van het experimenteren onder extreme kernomstandigheden door die omstandigheden op krachtige supercomputers te simuleren. Met behulp van faciliteiten bij LSU, evenals de XSEDE-faciliteit van de National Science Foundation in Texas, deden de onderzoekers een reeks moleculaire dynamische simulaties, die kritische gegevens verschaffen over het gedrag van vloeistoffen en vaste stoffen die worden blootgesteld aan hoge temperaturen en enorme druk.

Na een reeks benchmarktests om er zeker van te zijn dat de simulaties goed werkten, het team voegde stikstof toe aan het systeem. Hun doel was om de effecten van stikstof op de dichtheid en geluidsgolfsnelheid van vloeibaar ijzer te identificeren onder omstandigheden die analoog zijn aan de kern van de aarde - metingen die hen beter in staat zouden stellen het stikstofgehalte van de kern te bepalen.

uiteindelijk, de simulaties onthulden met succes een allereerste, op geofysische gegevens gebaseerde hint over hoeveel stikstof diep in het onherbergzame binnenste van de aarde kan worden opgesloten.

"Onze schattingen van de maximale limiet van stikstof in de buitenste kern van de aarde zijn gebaseerd op de veronderstelling dat de kern van de aarde is samengesteld uit een binair ijzer-stikstofmengsel, maar er is meer onderzoek nodig om het effect van meerdere elementen die legeren met ijzer op te nemen, ' zei Mookherjee.