Forskning afslører grundlæggende fund om Jordens ydre kerne

Jordens kerne er et usædvanligt vanskeligt sted at studere. Dens dybder falder med svimlende 2, 900 kilometer - omkring afstanden fra New York City til Denver - og dens ekstreme, overjordiske forhold er ekstraordinært udfordrende at simulere i laboratoriet.

For videnskabsmænd som Florida State University Assistant Professor Mainak Mookherjee og hans postdoktor Suraj Bajgain, hvis livs arbejde er at trænge ind i mysterierne gemt i kernens umulige dybder, det er alvorlige og genstridige vejspærringer. Men i en ny undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Geofysiske forskningsbreve , Mookherjee og hans team brugte kraftfulde supercomputing-teknikker til at omgå disse forhindringer og gøre en kritisk opdagelse om kernens kemiske sammensætning.

Sammen med kolleger ved Rice University og Louisiana State University, Mookherjee og Bajgain brugte omhyggeligt kalibrerede simuleringer til at bestemme den maksimale mængde nitrogen, der muligvis kan eksistere i Jordens ydre kerne:omkring 2 vægtprocent ved kerne-kappe-grænsen, og ca. 2,6 vægt-% ved den indre kerne-grænse.

"Dette er en indsigtsfuld øvelse, fordi den giver den øverste grænse af nitrogen i den ydre kerne, "Mookherjee sagde. "Vi giver maksimale begrænsninger på overfloden af ​​et element, der er en vigtig bestanddel af atmosfæren på en beboelig planet. Det er det grundlæggende fund."

Nitrogen er nøglen til organisk stof, og hvordan nitrogen lagres i planetens stenede og metalliske indre er en afgørende, men undvigende information.

"Når en planet dannes, planetens størrelse og hvor meget nitrogen - eller ethvert andet let element - der suges ind i kernen er meget vigtigt, "Sagde Mookherjee." Hvis du tænker på livet som organisk liv, kulstof og nitrogen er vigtige bestanddele. Men hvis alt nitrogen går ind i kernen, der er intet tilbage til at give næring til organisk liv."

Spørgsmål om, hvilke grundstoffer der vælter i gryden af ​​Jordens kerne, har længe undret jordforskere. Vigtige dissonanser i fremherskende seismologiske og geokemiske modeller er blevet uforklarlige, og analyser af meteoritter, der nøje modellerer Jordens store stenmateriale, har en tendens til at antyde, at vi skulle se mere nitrogen i vores planets indre. Disse uoverensstemmelser fremkalder forvirrende spørgsmål.

"Geokemiske beviser peger ofte på det faktum, at Jordens indre kan være udtømt med hensyn til nitrogenbeholdning, "Sagde Mookherjee." Mangler vi det? Er det skjult i kernen? Disse er ukendte. Der er forskellige modeller, men det er umuligt at få adgang til Jordens kerne, og vi har ikke direkte beviser for planetens dannelsesproces, herunder omfordeling af elementer. Vi forsøger at drage slutninger ved at samle beviser sammen."

Mookherjee omgik de betydelige udfordringer ved at eksperimentere under ekstreme kerneforhold ved at simulere disse forhold på kraftige supercomputere. Brug af faciliteter på LSU, samt National Science Foundations XSEDE-anlæg i Texas, forskerne kørte en række molekylær dynamiske simuleringer, som giver kritiske data om opførsel af væsker og faste stoffer udsat for høj temperatur og enormt tryk.

Efter et batteri af benchmark-tests for at sikre, at simuleringerne kørte korrekt, holdet tilføjede nitrogen til systemet. Deres mål var at identificere virkningerne af nitrogen på tætheden og lydbølgehastigheden af ​​flydende jern under forhold analoge med Jordens kerne - aflæsninger, der bedre ville give dem mulighed for at bestemme kernens nitrogenindhold.

Ultimativt, simuleringerne afslørede med succes en første nogensinde, geofysisk databaseret hint om, hvor meget nitrogen der kan være fanget dybt i Jordens ugæstfrie indre.

"Vores estimater for den maksimale grænse for nitrogen i Jordens ydre kerne er baseret på antagelsen om, at Jordens kerne er sammensat af en jern-nitrogen binær blanding, men mere forskning er nødvendig for at inkorporere effekten af ​​flere grundstoffer legeret med jern, " sagde Mookherjee.