Comprendere il ciclo del carbonio della Terra ha importanti implicazioni per comprendere il cambiamento climatico e la salute delle biosfere.

Ma gli scienziati non hanno ancora capito quanto carbonio si trova in profondità nei serbatoi d'acqua della Terra, ad esempio, nell'acqua che è sotto pressione estrema nel mantello, perché gli esperimenti sono difficili da condurre in tali condizioni.

I ricercatori della Pritzker School of Molecular Engineering (PME) dell'Università di Chicago e dell'Università di Scienza e Tecnologia di Hong-Kong hanno creato una complessa simulazione al computer che aiuterà gli scienziati a determinare la concentrazione di carbonio nelle condizioni del mantello, che includono temperature fino a 1000K e pressioni fino a 10 GPa, che è 100, 000 volte più grande che sulla superficie terrestre.

Queste simulazioni forniscono un modo ingegnoso per valutare il collegamento mancante tra le misurazioni (in particolare, spettri vibrazionali utilizzati per scoprire le firme degli ioni nell'acqua) e le concentrazioni di ioni e molecolari in queste condizioni. Questa ricerca, che è stato pubblicato di recente sulla rivista Comunicazioni sulla natura , ha importanti implicazioni nella comprensione del ciclo del carbonio della Terra.

"La nostra strategia computazionale faciliterà notevolmente la determinazione della quantità di carbonio nelle condizioni estreme del mantello terrestre, " disse Giulia Galli, il Liew Family Professor di Ingegneria Molecolare e professore di chimica all'UChicago, che è anche uno scienziato senior presso l'Argonne National Laboratory e uno degli autori della ricerca.

"Insieme a molti altri gruppi di ricerca in tutto il mondo, abbiamo fatto parte di un grande progetto volto a capire quanto carbonio è presente nella Terra e come si muove dall'interno verso la superficie, " disse Ding Pan, ex ricercatore post-dottorato presso UChicago nel gruppo di Galli, primo autore della ricerca, e attuale assistente professore di fisica e chimica presso la Hong-Kong University of Science and Technology. "Questo è un passo verso la costruzione di un quadro completo della concentrazione e del movimento del carbonio nella terra".

Un passo verso una migliore comprensione del ciclo del carbonio

Capire quanto carbonio si trova nei giacimenti profondi molte miglia sottoterra è importante perché si stima che oltre il 90% del carbonio della Terra sia sepolto al suo interno. Quel carbonio profondo influenza la forma e la concentrazione del carbonio vicino alla superficie, che alla fine può avere un impatto sul cambiamento climatico globale.

Sfortunatamente, non esiste ancora una tecnica sperimentale per caratterizzare direttamente i carbonati disciolti in acqua a condizioni di pressione e temperatura estreme. Pan e Galli hanno ideato una nuova strategia che combina i risultati della spettroscopia con calcoli sofisticati basati sulla meccanica quantistica per determinare la concentrazione di ioni e molecole nell'acqua in condizioni estreme.

Effettuando queste simulazioni, Pan e Galli hanno scoperto che la concentrazione di una specie importante specifica, gli ioni bicarbonato, è stata sottovalutata dai modelli geochimici utilizzati in precedenza. Hanno proposto una nuova visione di ciò che accade quando si dissolve l'anidride carbonica nell'acqua in condizioni estreme.

"La determinazione di ciò che accade quando si dissolve l'anidride carbonica nell'acqua sotto pressione è fondamentale per la comprensione della chimica del carbonio all'interno della Terra, "Ha detto Galli. "Il nostro studio contribuisce alla comprensione del ciclo profondo del carbonio, che influenza sostanzialmente il bilancio del carbonio vicino alla superficie terrestre".

Le simulazioni di Galli e Pan sono state eseguite presso il Research Computing Center di UChicago e presso il Deep Carbon Observatory Computer Cluster. È solo una delle numerose indagini sugli ioni nell'acqua e sull'acqua alle interfacce in corso nel gruppo di Galli.

Strumenti di simulazione generale per capire l'acqua

Ottenere una comprensione più profonda di ciò che accade quando l'acqua - e la materia disciolta o sospesa nell'acqua - entra in contatto con quei solidi è l'obiettivo del Centro AMEWS guidato da Argonne. Per esempio, in molti sistemi idrici, un fenomeno noto come fouling, l'accumulo di materiale indesiderato su superfici solide a scapito della funzione, si verifica alle interfacce.

"Un gran numero delle sfide che affrontiamo intorno all'acqua si concentra sull'interfaccia tra l'acqua e i materiali che compongono i sistemi che gestiscono, processi, e trattare l'acqua, compresi gli ioni, Certo, " ha detto Seth tesoro, direttore di AMEWS e un borsista PME. "Le simulazioni quantomeccaniche di Galli, integrato con esperimenti, può fare davvero la differenza nella comprensione dei fenomeni interfacciali acquosi in cui gli ioni, come i carbonati studiati in Comunicazioni sulla natura , sono presenti."