Compreender o ciclo do carbono da Terra tem implicações importantes para compreender as mudanças climáticas e a saúde da biosfera.

Mas os cientistas ainda não entendem quanto carbono existe nas profundezas dos reservatórios de água da Terra - por exemplo, na água que está sob extrema pressão no manto - porque os experimentos são difíceis de conduzir nessas condições.

Pesquisadores da Pritzker School of Molecular Engineering (PME) da University of Chicago e da University of Science and Technology em Hong-Kong criaram uma simulação de computador complexa que ajudará os cientistas a determinar a concentração de carbono nas condições do manto, que incluem temperaturas de até 1000 K e pressões de até 10 GPa, que é 100, 000 vezes maior do que na superfície da Terra.

Essas simulações fornecem uma maneira engenhosa de avaliar o elo que faltava entre as medições (em particular, espectros vibracionais usados ​​para descobrir assinaturas de íons na água) e as concentrações de íons e moleculares nessas condições. Essa pesquisa, que foi publicado recentemente no jornal Nature Communications , tem implicações importantes na compreensão do ciclo do carbono da Terra.

“Nossa estratégia computacional vai facilitar muito a determinação da quantidade de carbono nas condições extremas do manto terrestre, "disse Giulia Galli, o professor de Engenharia Molecular da Família Liew e professor de química na UChicago, que também é um cientista sênior do Argonne National Laboratory e um dos autores da pesquisa.

"Junto com muitos outros grupos de pesquisa ao redor do mundo, participamos de um grande projeto que visa compreender quanto carbono está presente na Terra e como ele se move do interior para a superfície, "disse Ding Pan, ex-pesquisador de pós-doutorado na UChicago no grupo de Galli, primeiro autor da pesquisa, e atual professor assistente de física e química na Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong-Kong. "Este é um passo em direção à construção de um quadro abrangente da concentração e do movimento do carbono na terra."

Um passo para melhor compreender o ciclo do carbono

Compreender quanto carbono está em reservatórios profundos, muitas milhas abaixo do solo, é importante porque estima-se que mais de 90 por cento do carbono da Terra está enterrado em seu interior. Esse carbono profundo influencia a forma e a concentração de carbono perto da superfície, que, em última análise, pode impactar as mudanças climáticas globais.

Infelizmente, ainda não existe uma técnica experimental disponível para caracterizar diretamente os carbonatos dissolvidos na água em condições extremas de pressão e temperatura. Pan e Galli desenvolveram uma nova estratégia que combina resultados de espectroscopia com cálculos sofisticados baseados na mecânica quântica para determinar a concentração de íons e moléculas na água em condições extremas.

Ao realizar essas simulações, Pan e Galli descobriram que a concentração de uma espécie importante específica - íons de bicarbonato - foi subestimada por modelos geoquímicos usados ​​anteriormente. Eles propuseram uma nova visão do que acontece quando você dissolve o dióxido de carbono na água em condições extremas.

"A determinação do que acontece quando se dissolve o dióxido de carbono na água sob pressão é crítica para a compreensão da química do carbono no interior da Terra, "Galli disse." Nosso estudo contribui para a compreensão do ciclo profundo do carbono, que influencia substancialmente o orçamento de carbono próximo à superfície da Terra. "

As simulações de Galli e Pan foram realizadas no Research Computing Center em UChicago e no Deep Carbon Observatory Computer Cluster. É apenas uma das várias investigações de íons em água e água em interfaces em andamento no grupo de Galli.

Ferramentas gerais de simulação para entender a água

Obter uma compreensão mais profunda do que acontece quando a água - e a matéria dissolvida ou suspensa na água - entra em contato com esses sólidos é o foco do AMEWS Center, liderado por Argonne. Por exemplo, em muitos sistemas de água, um fenômeno conhecido como incrustação - o acúmulo de material indesejado em superfícies sólidas em detrimento da função - ocorre nas interfaces.

"Um grande número de desafios que enfrentamos em torno do centro hídrico na interface entre a água e os materiais que compõem os sistemas que os manipulam, processo, e tratar a água, incluindo íons, claro, "disse Seth Querido, diretor da AMEWS e bolsista PME. "As simulações da mecânica quântica de Galli, integrado com experimentos, pode fazer uma diferença real na compreensão de fenômenos interfaciais aquosos onde íons, como os carbonatos estudados em Nature Communications , estão presentes."