Jordens kärna är en exceptionellt svår plats att studera. Dess djup sjunker till svindlande 2, 900 kilometer - ungefär avståndet från New York City till Denver - och dess extrema, andra världsliga förhållanden är utomordentligt utmanande att simulera i labbet.

För forskare som Florida State University biträdande professor Mainak Mookherjee och hans postdoktor Suraj Bajgain, vars livsverk är att tränga in i mysterierna gömda i kärnans omöjliga djup, dessa är allvarliga och envisa avspärrningar. Men i en ny studie publicerad i tidskriften Geofysiska forskningsbrev , Mookherjee och hans team använde kraftfulla superdatortekniker för att kringgå dessa hinder och göra en kritisk upptäckt om kärnans kemiska sammansättning.

Tillsammans med kollegor vid Rice University och Louisiana State University, Mookherjee och Bajgain använde noggrant kalibrerade simuleringar för att bestämma den maximala mängden kväve som eventuellt kan finnas i jordens yttre kärna:cirka 2 viktprocent vid kärnmantelgränsen, och cirka 2,6 viktprocent vid den inre kärngränsen.

"Detta är en insiktsfull övning eftersom den ger den högsta gränsen för kväve i den yttre kärnan, "Mookherjee sa." Vi ger maximal begränsning för överflödet av ett element som är en viktig del av atmosfären på en beboelig planet. Det är det grundläggande fyndet. "

Kväve är nyckeln till organiskt material, och hur kväve lagras i planetens steniga och metalliska inre är en avgörande men svårfångad information.

"När en planet bildas, planetens storlek och hur mycket kväve - eller något annat lätt element - som sugs in i kärnan är mycket viktigt, "Mookherjee sa." Om du tänker på livet som organiskt liv, kol och kväve är viktiga beståndsdelar. Men om allt kväve går in i kärnan, det finns inget kvar för att driva det organiska livet. "

Frågor om vilka grundämnen som roder i grytan i jordens kärna har länge förbryllat jordforskare. Viktiga dissonanser i rådande seismologiska och geokemiska modeller har blivit oförklarliga, och analyser av meteoriter som nära modellerar jordens stora stenmaterial tenderar att föreslå att vi borde se mer kväve i vår planets inre. Dessa inkonsekvenser väcker förvirrande frågor.

"Geokemiska bevis pekar ofta på det faktum att jordens inre kan tömmas när det gäller kväveinventering, "Mookherjee sa." Saknar vi det? Är det dolt i kärnan? Dessa är okända. Det finns olika modeller, men det är omöjligt att komma åt jordens kärna, och vi har inga direkta bevis på planetens bildningsprocess, inklusive omfördelning av element. Vi försöker dra slutsatser genom att sammanfoga bevis. "

Mookherjee kringgick de stora utmaningarna att experimentera vid extrema kärnförhållanden genom att simulera dessa förhållanden på kraftfulla superdatorer. Med hjälp av faciliteter på LSU, liksom National Science Stiftels XSEDE -anläggning i Texas, forskarna körde en rad molekylära dynamiska simuleringar, som ger kritisk information om beteendet hos vätskor och fasta ämnen som utsätts för hög temperatur och enormt tryck.

Efter ett batteri med riktmärktester för att säkerställa att simuleringarna fungerade korrekt, laget tillsatte kväve till systemet. Deras mål var att identifiera effekterna av kväve på densiteten och ljudvågshastigheten för flytande järn vid förhållanden som är analoga med jordens kärna - avläsningar som bättre skulle göra det möjligt för dem att bestämma kärnans kvävehalt.

I sista hand, simuleringarna avslöjade framgångsrikt en första någonsin, geofysisk databaserad ledtråd om hur mycket kväve som kan fångas djupt i jordens ogästvänliga inre.

"Våra uppskattningar av maxgränsen för kväve i jordens yttre kärna är baserade på antagandet att jordens kärna består av en binär järn-kväveblandning, men mer forskning behövs för att införliva effekten av flera element legerade med järn, "Sa Mookherjee.