Simuleringer afslører, hvordan saltvand opfører sig i Jordens kappe

Forskere vurderer, at Jordens kappe rummer lige så meget vand som alle verdenshavene, men det er svært at forstå, hvordan dette vand opfører sig. Vand i kappen eksisterer under højt tryk og ved forhøjede temperaturer, ekstreme forhold, der er udfordrende at genskabe i laboratoriet.

Det betyder, at mange af dets fysiske og kemiske egenskaber - relevante for at forstå magmaproduktion og Jordens kulstofcyklus - ikke er fuldt ud forstået. Hvis forskere bedre kunne forstå disse forhold, det ville hjælpe dem med bedre at forstå kulstofcyklusens konsekvenser for klimaforandringerne.

Et team ledet af prof. Giulia Galli og prof. Juan de Pablo fra Pritzker School of Molecular Engineering (PME) ved University of Chicago og prof. Francois Gygi fra University of California, Davis har skabt komplekse computersimuleringer for bedre at forstå saltets egenskaber i vand under kappeforhold.

Ved at koble simuleringsteknikker udviklet af de tre forskningsgrupper og bruge sofistikerede koder, teamet har skabt en model af saltvand baseret på kvantemekaniske beregninger. Ved hjælp af modellen, forskerne opdagede nøglemolekylære ændringer i forhold til omgivelsesbetingelser, der kunne have konsekvenser for at forstå den interessante kemi, der ligger dybt under jordens overflade.

"Vores simuleringer repræsenterer den første undersøgelse af saltenes frie energi i vand under tryk, "Sagde Galli." Det lægger grundlaget for at forstå saltets indflydelse i vand ved højt tryk og temperatur, såsom betingelserne for Jordens kappe. "Resultaterne blev offentliggjort den 16. juni i tidsskriftet Naturkommunikation .

Vigtigt i fluid-rock interaktioner

At forstå vandets adfærd i kappen er udfordrende - ikke kun fordi det er svært at måle dets egenskaber eksperimentelt, men fordi kemien af ​​vand og saltvand adskiller sig ved sådanne ekstreme temperaturer og tryk (som inkluderer temperaturer på op til 1000K og tryk på op til 11 GPa, 100, 000 gange større end på jordens overflade.)

Mens Galli tidligere offentliggjorde forskning om vandets opførsel under sådanne forhold, hun og hendes samarbejdspartnere ved Midwest Integrated Center for Computational Materials (MICCoM) har nu udvidet deres simuleringer til salt i vand, formår at forudsige meget mere komplekse egenskaber end tidligere undersøgt.

Simuleringerne, udført på UChicago's Research Computing Center ved hjælp af optimerede koder understøttet af MICCoM, viste vigtige ændringer af ion-vand og ion-ion-interaktioner under ekstreme forhold. Disse ioninteraktioner påvirker saltets frie energioverflade i vand.

Specifikt, forskere fandt ud af, at dissociation af vand, der sker på grund af højt tryk og temperatur, påvirker saltets interaktion med vand og igen, hvordan det forventes at interagere med stenoverflader på jordens overflade.

"Dette er grundlæggende for at forstå kemiske reaktioner under betingelserne for Jordens kappe, "sagde de Pablo.

"Dernæst håber vi at bruge de samme simuleringsteknikker til en række forskellige løsninger, betingelser, og andre salte, "Sagde Gygi.