Comprendre le cycle du carbone de la Terre a des implications importantes pour comprendre le changement climatique et la santé des biosphères.

Mais les scientifiques ne comprennent pas encore combien de carbone se trouve au plus profond des réservoirs d'eau de la Terre, par exemple, dans l'eau qui est sous une pression extrême dans le manteau, car les expériences sont difficiles à mener dans de telles conditions.

Des chercheurs de la Pritzker School of Molecular Engineering (PME) de l'Université de Chicago et de l'Université des sciences et technologies de Hong-Kong ont créé une simulation informatique complexe qui aidera les scientifiques à déterminer la concentration de carbone dans les conditions du manteau, qui incluent des températures allant jusqu'à 1000K et des pressions allant jusqu'à 10 GPa, qui est 100, 000 fois plus grand qu'à la surface de la Terre.

Ces simulations offrent un moyen ingénieux d'évaluer le chaînon manquant entre les mesures (en particulier, spectres vibrationnels utilisés pour découvrir les signatures des ions dans l'eau) et les concentrations ioniques et moléculaires dans ces conditions. Cette recherche, qui a été publié récemment dans la revue Communication Nature , a des implications importantes dans la compréhension du cycle du carbone de la Terre.

"Notre stratégie informatique facilitera grandement la détermination de la quantité de carbone dans les conditions extrêmes du manteau terrestre, " dit Giulia Galli, le professeur de la famille Liew de génie moléculaire et professeur de chimie à UChicago, qui est également scientifique principal au Laboratoire national d'Argonne et l'un des auteurs de la recherche.

"En collaboration avec de nombreux autres groupes de recherche dans le monde, nous avons fait partie d'un grand projet visant à comprendre combien de carbone est présent dans la Terre et comment il se déplace de l'intérieur vers la surface, " dit Ding Pan, ancien chercheur post-doctorant à UChicago dans le groupe Galli, premier auteur de la recherche, et actuel professeur adjoint de physique et de chimie à l'Université des sciences et technologies de Hong-Kong. "C'est une étape vers la construction d'une image complète de la concentration et du mouvement du carbone dans la terre."

Un pas vers une meilleure compréhension du cycle du carbone

Comprendre combien de carbone se trouve dans des réservoirs profonds à plusieurs kilomètres sous terre est important car on estime que plus de 90 pour cent du carbone de la Terre est enfoui à l'intérieur. Ce carbone profond influence la forme et la concentration du carbone près de la surface, qui, en fin de compte, peut avoir un impact sur le changement climatique mondial.

Malheureusement, il n'y a pas encore de technique expérimentale disponible pour caractériser directement les carbonates dissous dans l'eau à des conditions de pression et de température extrêmes. Pan et Galli ont conçu une nouvelle stratégie qui combine les résultats de la spectroscopie avec des calculs sophistiqués basés sur la mécanique quantique pour déterminer la concentration d'ions et de molécules dans l'eau dans des conditions extrêmes.

En réalisant ces simulations, Pan et Galli ont découvert que la concentration d'une espèce importante spécifique, les ions bicarbonate, avait été sous-estimée par les modèles géochimiques précédemment utilisés. Ils ont proposé une nouvelle vision de ce qui se passe lorsque vous dissolvez le dioxyde de carbone dans l'eau dans des conditions extrêmes.

« La détermination de ce qui se passe lorsque l'on dissout du dioxyde de carbone dans l'eau sous pression est essentielle à la compréhension de la chimie du carbone à l'intérieur de la Terre, " a déclaré Galli. " Notre étude contribue à la compréhension du cycle profond du carbone, qui influence considérablement le bilan du carbone près de la surface de la Terre.

La simulation de Galli et Pan a été réalisée au Research Computing Center d'UCicago et au Deep Carbon Observatory Computer Cluster. Ce n'est qu'une des nombreuses recherches sur les ions dans l'eau et l'eau aux interfaces en cours dans le groupe de Galli.

Outils de simulation généraux pour comprendre l'eau

Le centre AMEWS dirigé par Argonne se concentre sur l'obtention d'une meilleure compréhension de ce qui se passe lorsque l'eau - et la matière dissoute ou en suspension dans l'eau - entre en contact avec ces solides. Par exemple, dans de nombreux systèmes d'eau, un phénomène connu sous le nom d'encrassement - l'accumulation de matériaux indésirables sur les surfaces solides au détriment de la fonction - se produit aux interfaces.

« Un grand nombre des défis auxquels nous sommes confrontés autour de l'eau se concentrent sur l'interface entre l'eau et les matériaux qui composent les systèmes qui manipulent, traiter, et traiter l'eau, y compris les ions, bien sûr, " dit Seth Darling, directeur de l'AMEWS et boursier PME. "Les simulations de mécanique quantique de Galli, intégré aux expérimentations, peut faire une réelle différence dans la compréhension des phénomènes interfaciaux aqueux où les ions, comme les carbonates étudiés dans Communication Nature , sont présents."