Le noyau de la Terre est un endroit exceptionnellement difficile à étudier. Ses profondeurs descendent un stupéfiant 2, 900 kilomètres - environ la distance de New York à Denver - et son extrême, les conditions d'un autre monde sont extrêmement difficiles à simuler en laboratoire.

Pour des scientifiques comme le professeur adjoint Mainak Mookherjee de la Florida State University et son chercheur postdoctoral Suraj Bajgain, dont le travail de la vie est de pénétrer les mystères cachés dans les profondeurs impossibles du noyau, ce sont des barrages routiers sérieux et tenaces. Mais dans une nouvelle étude publiée dans la revue Lettres de recherche géophysique , Mookherjee et son équipe ont utilisé des techniques de calcul intensif de haute puissance pour contourner ces obstacles et faire une découverte cruciale sur la composition chimique du cœur.

Avec des collègues de la Rice University et de la Louisiana State University, Mookherjee et Bajgain ont utilisé des simulations méticuleusement calibrées pour déterminer la quantité maximale d'azote qui peut éventuellement exister dans le noyau externe de la Terre :environ 2 % en poids à la frontière noyau-manteau, et environ 2,6 pour cent en poids à la limite du noyau interne.

"C'est un exercice perspicace car il donne la limite supérieure d'azote dans le noyau externe, " Mookherjee a déclaré. "Nous fournissons une contrainte maximale sur l'abondance d'un élément qui est un composant majeur de l'atmosphère d'une planète habitable. C'est la conclusion fondamentale."

L'azote est la clé de la matière organique, et comment l'azote est stocké dans l'intérieur rocheux et métallique de la planète est une information cruciale mais insaisissable.

"Quand une planète se forme, la taille de la planète et la quantité d'azote ou de tout autre élément léger aspiré dans le noyau est très important, " dit Mookherjee. " Si vous pensez à la vie comme à la vie organique, le carbone et l'azote sont des constituants importants. Mais si tout l'azote va dans le noyau, il ne reste plus rien pour alimenter la vie organique."

Les questions sur les éléments qui s'agitent dans le chaudron du noyau de la Terre ont longtemps intrigué les scientifiques de la Terre. Des dissonances importantes dans les modèles sismologiques et géochimiques dominants sont restées inexpliquées, et les analyses de météorites qui modélisent étroitement le matériau rocheux en vrac de la Terre ont tendance à suggérer que nous devrions voir plus d'azote à l'intérieur de notre planète. Ces incohérences suscitent des questions embarrassantes.

"Les preuves géochimiques indiquent souvent que l'intérieur de la Terre pourrait être épuisé en termes d'inventaire d'azote, " dit Mookherjee. " Est-ce que nous en manquons ? Est-ce caché dans le noyau ? Ce sont des inconnues. Il existe différents modèles, mais il est impossible d'accéder au noyau de la Terre, et nous n'avons pas de preuves directes du processus de formation de la planète, y compris la redistribution des éléments. Nous essayons de faire des déductions en rassemblant des preuves."

Mookherjee a contourné les défis considérables de l'expérimentation dans des conditions de base extrêmes en simulant ces conditions sur de puissants superordinateurs. En utilisant les installations de LSU, ainsi que l'installation XSEDE de la National Science Foundation au Texas, les chercheurs ont effectué une série de simulations de dynamique moléculaire, qui fournissent des données critiques sur le comportement des liquides et des solides exposés à une température élevée et à une pression énorme.

Après une batterie de tests de référence pour s'assurer du bon déroulement des simulations, l'équipe a ajouté de l'azote au système. Leur objectif était d'identifier les effets de l'azote sur la densité et la vitesse des ondes sonores du fer liquide dans des conditions analogues à celles du noyau terrestre, des mesures qui leur permettraient de mieux déterminer la teneur en azote du noyau.

Finalement, les simulations ont révélé avec succès un tout premier, indice basé sur des données géophysiques sur la quantité d'azote qui pourrait être piégée profondément dans l'intérieur inhospitalier de la Terre.

"Nos estimations sur la limite maximale d'azote dans le noyau externe de la Terre sont basées sur l'hypothèse que le noyau de la Terre est composé d'un mélange binaire fer-azote, mais des recherches supplémentaires sont nécessaires pour incorporer l'effet de plusieurs éléments s'alliant au fer, " a déclaré Mookherjee.