Simuleringer identificerer manglende led for at bestemme kulstof i dybe jordreservoirer

At forstå Jordens kulstofcyklus har vigtige konsekvenser for forståelsen af ​​klimaændringer og biosfærers sundhed.

Men forskere forstår endnu ikke, hvor meget kul der ligger dybt i Jordens vandreservoirer - f.eks. i vand, der er under ekstremt tryk i kappen - fordi forsøg er vanskelige at gennemføre under sådanne forhold.

Forskere ved Pritzker School of Molecular Engineering (PME) ved University of Chicago og University of Science and Technology i Hong-Kong har skabt en kompleks computersimulering, der hjælper forskere med at bestemme koncentrationen af ​​kulstof under kappens betingelser, som inkluderer temperaturer på op til 1000K og tryk på op til 10 GPa, hvilket er 100, 000 gange større end på Jordens overflade.

Disse simuleringer giver en genial måde at evaluere det manglende link mellem målinger (især vibrationsspektre, der bruges til at opdage signaturer af ioner i vand) og ion- og molekylkoncentrationer under disse forhold. Denne forskning, som for nylig blev offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation , har vigtige konsekvenser for at forstå Jordens kulstofcyklus.

"Vores beregningsstrategi vil i høj grad lette bestemmelsen af ​​mængden af ​​kulstof under ekstreme forhold i Jordens kappe, "sagde Giulia Galli, Liew -familieprofessoren i molekylær teknik og professor i kemi ved UChicago, som også er seniorforsker ved Argonne National Laboratory og en af ​​forfatterne til forskningen.

"Sammen med mange andre forskningsgrupper rundt om i verden, vi har været en del af et stort projekt med det formål at forstå, hvor meget kulstof der er til stede på jorden, og hvordan det bevæger sig fra det indre mod overfladen, "sagde Ding Pan, tidligere postdoktorforsker ved UChicago i Gallis gruppe, første forfatter til forskningen, og nuværende assisterende professor i fysik og kemi ved Hong-Kong University of Science and Technology. "Dette er et skridt i retning af at opbygge et omfattende billede af kulstofkoncentration og bevægelse i jorden."

Et skridt mod en bedre forståelse af kulstofcyklussen

Det er vigtigt at forstå, hvor meget kul der ligger i dybe reservoirer mange miles under jorden, fordi det anslås, at mere end 90 procent af Jordens kulstof er begravet i dets indre. At dybt kulstof påvirker form og koncentration af kulstof nær overfladen, som i sidste ende kan påvirke de globale klimaændringer.

Desværre, der er endnu ingen eksperimentel teknik til direkte karakterisering af carbonater opløst i vand ved ekstreme tryk- og temperaturforhold. Pan og Galli udarbejdede en ny strategi, der kombinerer spektroskopieresultater med sofistikerede beregninger baseret på kvantemekanik for at bestemme koncentrationen af ​​ioner og molekyler i vand ved ekstreme forhold.

Ved at udføre disse simuleringer, Pan og Galli fandt ud af, at koncentrationen af ​​en bestemt vigtig art - bikarbonationer - er blevet undervurderet af tidligere anvendte geokemiske modeller. De foreslog et nyt syn på, hvad der sker, når du opløser kuldioxid i vand under ekstreme forhold.

"Bestemmelsen af, hvad der sker, når man opløser kuldioxid i vand under tryk, er afgørende for forståelsen af ​​kulstoffets kemi i Jordens indre, "Sagde Galli." Vores undersøgelse bidrager til forståelsen af ​​den dybe kulstofcyklus, som i væsentlig grad påvirker kulstofbudgettet nær jordens overflade. "

Galli og Pans simulering blev udført på Research Computing Center i UChicago og på Deep Carbon Observatory Computer Cluster. Det er blot en af ​​de flere undersøgelser af ioner i vand og vand ved grænseflader, der er i gang i Gallis gruppe.

Generelle simuleringsværktøjer til at forstå vand

At få en dybere forståelse af, hvad der sker, når vand-og stof opløst eller suspenderet i vand-kommer i kontakt med disse faste stoffer, er fokus for det Argonne-ledede AMEWS Center. For eksempel, i mange vandsystemer, et fænomen kendt som begroning - ophobning af uønsket materiale på faste overflader til skade for funktion - forekommer ved grænseflader.

"Et stort antal af de udfordringer, vi står over for omkring vand, er centreret om grænsefladen mellem vand og de materialer, der udgør de systemer, der håndterer, behandle, og behandle vand, herunder ioner, selvfølgelig, "sagde Seth Darling, direktør for AMEWS og en PME -stipendiat. "De kvantemekaniske simuleringer af Galli, integreret med eksperimenter, kan gøre en reel forskel i forståelsen af ​​vandige grænsefladefænomener, hvor ioner, ligesom carbonaterne studeret i Naturkommunikation , er til stede. "