Comprender el ciclo del carbono de la Tierra tiene implicaciones importantes para comprender el cambio climático y la salud de las biosferas.

Pero los científicos aún no comprenden cuánto carbono se encuentra en las profundidades de los depósitos de agua de la Tierra, por ejemplo, en agua sometida a una presión extrema en el manto, porque los experimentos son difíciles de realizar en tales condiciones.

Investigadores de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular (PME) de la Universidad de Chicago y la Universidad de Ciencia y Tecnología en Hong-Kong han creado una compleja simulación por computadora que ayudará a los científicos a determinar la concentración de carbono en las condiciones del manto. que incluyen temperaturas de hasta 1000 K y presiones de hasta 10 GPa, que es 100, 000 veces mayor que en la superficie de la Tierra.

Estas simulaciones proporcionan una forma ingeniosa de evaluar el eslabón perdido entre las mediciones (en particular, espectros vibracionales utilizados para descubrir firmas de iones en el agua) y las concentraciones de iones y moléculas en estas condiciones. Esta investigación, que fue publicado recientemente en la revista Comunicaciones de la naturaleza , tiene importantes implicaciones para comprender el ciclo del carbono de la Tierra.

"Nuestra estrategia computacional facilitará enormemente la determinación de la cantidad de carbono en las condiciones extremas del manto de la Tierra, "dijo Giulia Galli, el profesor de Ingeniería Molecular de la familia Liew y profesor de química en UChicago, quien también es científico senior en el Laboratorio Nacional Argonne y uno de los autores de la investigación.

"Junto con muchos otros grupos de investigación de todo el mundo, hemos sido parte de un gran proyecto destinado a comprender cuánto carbono está presente en la Tierra y cómo se mueve desde el interior hacia la superficie, "dijo Ding Pan, ex investigador postdoctoral en UChicago en el grupo de Galli, primer autor de la investigación, y actual profesor asistente de física y química en la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong-Kong. "Este es un paso hacia la construcción de una imagen completa de la concentración y el movimiento del carbono en la tierra".

Un paso hacia una mejor comprensión del ciclo del carbono

Comprender cuánto carbono se encuentra en depósitos profundos a muchas millas bajo tierra es importante porque se estima que más del 90 por ciento del carbono de la Tierra está enterrado en su interior. Ese carbono profundo influye en la forma y concentración del carbono cerca de la superficie, que en última instancia puede afectar el cambio climático global.

Desafortunadamente, aún no existe una técnica experimental para caracterizar directamente los carbonatos disueltos en agua en condiciones de presión y temperatura extremas. Pan y Galli idearon una estrategia novedosa que combina los resultados de la espectroscopia con cálculos sofisticados basados ​​en la mecánica cuántica para determinar la concentración de iones y moléculas en el agua en condiciones extremas.

Al realizar estas simulaciones, Pan y Galli encontraron que la concentración de una especie importante específica, los iones de bicarbonato, ha sido subestimada por modelos geoquímicos usados ​​anteriormente. Propusieron una nueva visión de lo que sucede cuando se disuelve dióxido de carbono en agua en condiciones extremas.

"La determinación de lo que sucede cuando uno disuelve dióxido de carbono en agua bajo presión es fundamental para comprender la química del carbono en el interior de la Tierra, ", Dijo Galli." Nuestro estudio contribuye a la comprensión del ciclo profundo del carbono, lo que influye sustancialmente en el balance de carbono cerca de la superficie de la Tierra ".

La simulación de Galli y Pan se realizó en el Research Computing Center de UChicago y en el Deep Carbon Observatory Computer Cluster. Es solo una de las varias investigaciones de iones en agua y agua en interfaces en curso en el grupo de Galli.

Herramientas generales de simulación para comprender el agua

Obtener una comprensión más profunda de lo que sucede cuando el agua (y la materia disuelta o suspendida en el agua) entra en contacto con esos sólidos es el objetivo del Centro AMEWS dirigido por Argonne. Por ejemplo, en muchos sistemas de agua, un fenómeno conocido como ensuciamiento, la acumulación de material no deseado en superficies sólidas en detrimento de la función, ocurre en las interfaces.

"Una gran cantidad de los desafíos que enfrentamos alrededor del agua se centran en la interfaz entre el agua y los materiales que componen los sistemas que manejan, proceso, y tratar el agua, incluyendo iones, por supuesto, "dijo Seth Darling, director de AMEWS y becario de PME. "Las simulaciones de la mecánica cuántica de Galli, integrado con experimentos, puede marcar una diferencia real en la comprensión de los fenómenos interfaciales acuosos donde los iones, como los carbonatos estudiados en Comunicaciones de la naturaleza , están presentes."