O núcleo da Terra é um lugar excepcionalmente difícil de estudar. Suas profundezas descem a impressionantes 2, 900 quilômetros - aproximadamente a distância de Nova York a Denver - e seu extremo, condições sobrenaturais são extraordinariamente desafiadoras para simular no laboratório.

Para cientistas como o professor assistente Mainak Mookherjee da Florida State University e seu pós-doutorado Suraj Bajgain, cuja obra de vida é penetrar nos mistérios escondidos nas profundezas impossíveis do núcleo, esses são obstáculos sérios e teimosos. Mas em um novo estudo publicado na revista Cartas de pesquisa geofísica , Mookherjee e sua equipe usaram técnicas de supercomputação de alta potência para contornar esses obstáculos e fazer uma descoberta crítica sobre a composição química do núcleo.

Junto com colegas da Rice University e da Louisiana State University, Mookherjee e Bajgain usaram simulações meticulosamente calibradas para determinar a quantidade máxima de nitrogênio que pode existir no núcleo externo da Terra:cerca de 2 por cento em peso no limite núcleo-manto, e cerca de 2,6 por cento em peso no limite do núcleo interno.

"Este é um exercício esclarecedor porque fornece o limite superior de nitrogênio no núcleo externo, "Mookherjee disse." Estamos fornecendo limite máximo para a abundância de um elemento que é um dos principais componentes da atmosfera de um planeta habitável. Essa é a descoberta fundamental. "

O nitrogênio é a chave para a matéria orgânica, e como o nitrogênio é armazenado no interior rochoso e metálico do planeta é uma informação crucial, mas indescritível.

"Quando um planeta está se formando, tamanho do planeta e quanto nitrogênio - ou qualquer outro elemento de luz - é sugado para o núcleo é muito importante, "Mookherjee disse." Se você está pensando na vida como uma vida orgânica, carbono e nitrogênio são constituintes importantes. Mas se todo o nitrogênio for para o núcleo, não há mais nada para alimentar a vida orgânica. "

Questões sobre quais elementos turvam no caldeirão do núcleo da Terra há muito intrigam os cientistas da Terra. Dissonâncias importantes nos modelos sismológicos e geoquímicos prevalecentes ficaram sem explicação, e análises de meteoritos que modelam de perto o material rochoso em massa da Terra tendem a sugerir que deveríamos ver mais nitrogênio no interior de nosso planeta. Essas inconsistências provocam perguntas desconcertantes.

"Evidências geoquímicas freqüentemente apontam para o fato de que o interior da Terra pode estar esgotado em termos de estoque de nitrogênio, "Mookherjee disse." Está faltando? Está escondido no núcleo? São incógnitas. Existem vários modelos, mas é impossível acessar o núcleo da Terra, e não temos evidências diretas do processo de formação do planeta, incluindo a redistribuição de elementos. Estamos tentando fazer inferências juntando evidências. "

Mookherjee contornou os desafios consideráveis ​​de experimentar em condições de núcleo extremas, simulando essas condições em supercomputadores poderosos. Usando as instalações da LSU, bem como a instalação XSEDE da National Science Foundation no Texas, os pesquisadores executaram uma série de simulações de dinâmica molecular, que fornecem dados críticos sobre o comportamento de líquidos e sólidos expostos a altas temperaturas e enormes pressões.

Depois de uma bateria de testes de benchmark para garantir que as simulações estavam funcionando corretamente, a equipe adicionou nitrogênio ao sistema. Seu objetivo era identificar os efeitos do nitrogênio na densidade e na velocidade da onda sonora do ferro líquido em condições análogas às do núcleo da Terra - leituras que lhes permitiriam determinar melhor o conteúdo de nitrogênio do núcleo.

Em última análise, as simulações revelaram com sucesso uma primeira vez, dica baseada em dados geofísicos sobre quanto nitrogênio pode estar preso nas profundezas do interior inóspito da Terra.

"Nossas estimativas sobre o limite máximo de nitrogênio no núcleo externo da Terra baseiam-se na suposição de que o núcleo da Terra é composto de uma mistura binária de ferro-nitrogênio, mas são necessárias mais pesquisas para incorporar o efeito de vários elementos de liga com o ferro, "Mookherjee disse.