Het begrijpen van de koolstofcyclus van de aarde heeft belangrijke implicaties voor het begrijpen van klimaatverandering en de gezondheid van biosferen.

Maar wetenschappers begrijpen nog niet hoeveel koolstof er diep in de waterreservoirs van de aarde ligt, bijvoorbeeld in water dat in de mantel onder extreme druk staat, omdat experimenten onder dergelijke omstandigheden moeilijk uit te voeren zijn.

Onderzoekers van de Pritzker School of Molecular Engineering (PME) van de University of Chicago en de University of Science and Technology in Hong-Kong hebben een complexe computersimulatie gemaakt die wetenschappers zal helpen de concentratie van koolstof te bepalen onder de omstandigheden van de mantel, waaronder temperaturen tot 1000K en drukken tot 10 GPa, dat is 100, 000 keer groter dan op het aardoppervlak.

Deze simulaties bieden een ingenieuze manier om de ontbrekende schakel tussen metingen (in het bijzonder, trillingsspectra gebruikt om handtekeningen van ionen in water te ontdekken) en de ionen- en moleculaire concentraties in deze omstandigheden. Dit onderzoek, die onlangs in het tijdschrift werd gepubliceerd Natuurcommunicatie , heeft belangrijke implicaties voor het begrijpen van de koolstofcyclus van de aarde.

"Onze computationele strategie zal de bepaling van de hoeveelheid koolstof in de extreme omstandigheden van de aardmantel aanzienlijk vergemakkelijken, " zei Giulia Galli, de Liew Family Professor of Molecular Engineering en professor in de chemie aan UChicago, die ook een senior wetenschapper is bij Argonne National Laboratory en een van de auteurs van het onderzoek.

"Samen met vele andere onderzoeksgroepen over de hele wereld, we hebben deel uitgemaakt van een groot project om te begrijpen hoeveel koolstof er in de aarde aanwezig is en hoe het van het binnenste naar het oppervlak beweegt, " zei Ding Pan, voormalig postdoctoraal onderzoeker bij UChicago in de groep van Galli, eerste auteur van het onderzoek, en huidige assistent-professor natuurkunde en scheikunde aan de Hong-Kong University of Science and Technology. "Dit is een stap in de richting van het opbouwen van een alomvattend beeld van de koolstofconcentratie en beweging in de aarde."

Een stap naar een beter begrip van de koolstofcyclus

Begrijpen hoeveel koolstof er in diepe reservoirs ligt, vele kilometers onder de grond, is belangrijk omdat naar schatting meer dan 90 procent van de koolstof van de aarde in het binnenste is begraven. Dat diepe koolstof de vorm en concentratie van koolstof aan het oppervlak beïnvloedt, die uiteindelijk de wereldwijde klimaatverandering kunnen beïnvloeden.

Helaas, er is nog geen experimentele techniek beschikbaar om carbonaten die in water zijn opgelost onder extreme druk en temperatuur direct te karakteriseren. Pan en Galli bedachten een nieuwe strategie die spectroscopieresultaten combineert met geavanceerde berekeningen op basis van kwantummechanica om de concentratie van ionen en moleculen in water onder extreme omstandigheden te bepalen.

Door deze simulaties uit te voeren, Pan en Galli ontdekten dat de concentratie van een specifieke belangrijke soort - bicarbonaationen - is onderschat door eerder gebruikte geochemische modellen. Ze stelden een nieuwe kijk op wat er gebeurt als je onder extreme omstandigheden koolstofdioxide oplost in water.

"De bepaling van wat er gebeurt als men kooldioxide oplost in water onder druk is van cruciaal belang voor het begrip van de chemie van koolstof in het binnenste van de aarde, " zei Galli. "Onze studie draagt ​​bij aan het begrip van de diepe koolstofcyclus, die het koolstofbudget in de buurt van het aardoppervlak aanzienlijk beïnvloedt."

De simulatie van Galli en Pan werd uitgevoerd in het Research Computing Center in UChicago en in het Deep Carbon Observatory Computer Cluster. Het is slechts een van de vele onderzoeken naar ionen in water en water op grensvlakken die in Galli's groep lopen.

Algemene simulatietools om water te begrijpen

Een beter begrip krijgen van wat er gebeurt wanneer water - en materie opgelost of gesuspendeerd in water - in contact komt met die vaste stoffen, is de focus van het door Argonne geleide AMEWS Center. Bijvoorbeeld, in veel watersystemen, een fenomeen dat bekend staat als vervuiling - de ophoping van ongewenst materiaal op vaste oppervlakken ten koste van de functie - doet zich voor op grensvlakken.

"Een groot aantal van de uitdagingen waarmee we te maken hebben rond het watercentrum op het raakvlak tussen water en de materialen waaruit de systemen bestaan, Verwerken, en water behandelen, inclusief ionen, natuurlijk, " zei Seth Darling, directeur van AMEWS en een PME fellow. "De kwantummechanische simulaties van Galli, geïntegreerd met experimenten, kan een echt verschil maken in het begrijpen van waterige grensvlakfenomenen waar ionen, zoals de carbonaten die zijn bestudeerd in Natuurcommunicatie , zijn aanwezig."