Понимание того, как углерод растворяется в воде на молекулярном уровне в экстремальных условиях, имеет решающее значение для понимания глубокого углеродного цикла Земли - процесса, который в конечном итоге влияет на глобальное изменение климата.
Вопреки современным геохимическим моделям, углерод, растворенный в богатой водой жидкости на дне верхней мантии Земли, находится не в форме двуокиси углерода, а скорее в виде ионов карбоната и бикарбоната. К такому выводу пришли ученые из Института молекулярной инженерии Калифорнийского университета в Чикаго, которые смоделировали судьбу растворенного углекислого газа при высоких давлениях и температурах в верхней мантии, примерно в 410 милях от поверхности Земли. Их результаты были опубликованы в выпуске журнала Science Advances от 12 октября.
«Эксперименты в этих экстремальных условиях остаются очень сложными как в плане проведения, так и в интерпретации», - сказала Джулия Галли, старший исследователь статьи и профессор молекулярной инженерии семьи Лью. «К счастью, теоретические разработки и рост вычислительной мощности недавно позволили использовать моделирование молекулярной динамики для исследования воды и углерода в экстремальных условиях».
Работа показывает, что углерод может принимать неожиданные формы в жидкостях, обнаруженных в порах и трещинах горных пород глубоко под землей, сказал Рассел Дж. Хемли, профессор-исследователь Университета Джорджа Вашингтона, который не участвовал в исследовании. Поэтому ученые не могут использовать наблюдения на поверхности Земли в качестве ориентира для того, чтобы понять, как ведет себя углерод под поверхностью Земли.
«Это важно, потому что разные формы могут привести к разным типам резервуаров углеродсодержащих материалов на глубине планеты», - сказал Хемли.«Расчеты, подобные приведенным в этом исследовании, вместе с новыми экспериментами, основанными на этих теоретических результатах, могут сыграть ключевую роль в определении того, сколько углерода содержится на планете».
Исследователи также определили, что анионы карбоната и бикарбоната в экстремальных условиях обмениваются протонами с водой в течение пикосекунд, или одной триллионной доли секунды. Исследование предполагает, что в верхней мантии вода переносит углерод в основном через высокоактивные ионы, а не через растворенные молекулы углекислого газа.
«Наше текущее исследование предполагает присутствие большего количества ионов карбоната и бикарбоната, чем предполагалось ранее», - сказал Дин Пан, первый автор статьи и бывший научный сотрудник Института молекулярной инженерии, а ныне доцент кафедры физики и химии в Гонконгский университет науки и технологий.
«Это присутствие ионов, а не молекул, меняет правила игры», - сказал Крейг Э. Мэннинг, профессор наук о Земле и космосе Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, который не участвовал в исследовании.«Добавление молекулярного CO2 к воде делает воду менее химически реактивной, подавляя способность воды извлекать элементы из породы и перемещать элементы в другие места. Однако, если CO2 реагирует с H2O с образованием анионов, то такое же количество углерода делает воду более химически активной, тем самым повышая ее способность перемещать элементы».
Вопрос о том, накапливается ли углерод в недрах Земли, до сих пор является предметом споров, а химические реакции углерода в недрах Земли еще полностью не изучены. Это исследование заставит ученых переоценить роль углекислого газа в глубинных флюидах и переосмыслить его способность переноса массы. Это также будет стимулировать разработку новых моделей.