Il centro della Terra è un luogo eccezionalmente difficile da studiare. Le sue profondità scendono per uno sbalorditivo 2, 900 chilometri, circa la distanza da New York City a Denver, e il suo estremo, condizioni ultraterrene sono straordinariamente difficili da simulare in laboratorio.

Per scienziati come l'assistente professore della Florida State University Mainak Mookherjee e il suo studioso post-dottorato Suraj Bajgain, il cui compito della vita è penetrare i misteri nascosti nelle profondità impossibili del nucleo, questi sono ostacoli seri e ostinati. Ma in un nuovo studio pubblicato sulla rivista Lettere di ricerca geofisica , Mookherjee e il suo team hanno utilizzato tecniche di supercalcolo ad alta potenza per aggirare questi ostacoli e fare una scoperta fondamentale sulla composizione chimica del nucleo.

Insieme ai colleghi della Rice University e della Louisiana State University, Mookherjee e Bajgain hanno utilizzato simulazioni meticolosamente calibrate per determinare la quantità massima di azoto che può esistere nel nucleo esterno della Terra:circa il 2% in peso al confine nucleo-mantello, e circa il 2,6% in peso al confine del nucleo interno.

"Questo è un esercizio perspicace perché dà il limite più alto di azoto nel nucleo esterno, " Ha detto Mookherjee. "Stiamo fornendo il massimo vincolo sull'abbondanza di un elemento che è un componente importante dell'atmosfera di un pianeta abitabile. Questa è la scoperta fondamentale".

L'azoto è la chiave per la materia organica, e il modo in cui l'azoto viene immagazzinato nell'interno roccioso e metallico del pianeta è un'informazione cruciale ma sfuggente.

"Quando un pianeta si sta formando, dimensioni del pianeta e quanto azoto, o qualsiasi altro elemento leggero, viene risucchiato nel nucleo è molto importante, " ha detto Mookherjee. "Se stai pensando alla vita come vita organica, carbonio e azoto sono costituenti importanti. Ma se tutto l'azoto entra nel nucleo, non c'è più niente per alimentare la vita organica."

Le domande su quali elementi turbino nel calderone del nucleo terrestre hanno a lungo perplesso gli scienziati della Terra. Importanti dissonanze nei modelli sismologici e geochimici prevalenti sono rimaste inspiegabili, e le analisi dei meteoriti che modellano da vicino il materiale roccioso sfuso della Terra tendono a suggerire che dovremmo vedere più azoto all'interno del nostro pianeta. Queste incongruenze provocano domande sconcertanti.

"Le prove geochimiche indicano spesso che l'interno della Terra potrebbe essere esaurito in termini di scorte di azoto, " Mookherjee ha detto. "Ci manca? È nascosto nel nucleo? Questi sono sconosciuti. Esistono vari modelli, ma è impossibile accedere al centro della Terra, e non abbiamo prove dirette del processo di formazione del pianeta, compresa la ridistribuzione degli elementi. Stiamo cercando di fare inferenze mettendo insieme le prove".

Mookherjee ha aggirato le notevoli sfide della sperimentazione in condizioni di base estreme simulando tali condizioni su potenti supercomputer. Utilizzando le strutture della LSU, così come la struttura XSEDE della National Science Foundation in Texas, i ricercatori hanno eseguito una serie di simulazioni di dinamica molecolare, che forniscono dati critici sul comportamento di liquidi e solidi esposti ad alte temperature e pressioni enormi.

Dopo una serie di test di benchmark per garantire che le simulazioni funzionassero correttamente, il team ha aggiunto azoto al sistema. Il loro obiettivo era identificare gli effetti dell'azoto sulla densità e sulla velocità dell'onda sonora del ferro liquido in condizioni analoghe al nucleo terrestre, letture che avrebbero permesso loro di determinare meglio il contenuto di azoto del nucleo.

In definitiva, le simulazioni hanno rivelato con successo un primo in assoluto, suggerimento basato su dati geofisici su quanto azoto potrebbe essere intrappolato nelle profondità dell'interno inospitale della Terra.

"Le nostre stime sul limite massimo di azoto nel nucleo esterno della Terra si basano sul presupposto che il nucleo terrestre sia composto da una miscela binaria ferro-azoto, ma sono necessarie ulteriori ricerche per incorporare l'effetto di più elementi in lega con il ferro, " ha detto Mookherjee.