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Identificando el carbono en depósitos profundos de la Tierra

Se estima que más del 90 por ciento del carbono de la Tierra está enterrado en su interior

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

Pero los científicos aún no comprenden cuánto carbono se encuentra en los depósitos de agua de las profundidades de la Tierra - por ejemplo, en el agua que está bajo presión extrema en el manto - porque es difícil llevar a cabo experimentos en tales condiciones.

Los investigadores de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular (PME) de la Universidad de Chicago y de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong-Kong han creado ahora una compleja simulación por computadora que ayudará a los científicos a determinar la concentración de carbono bajo las condiciones del manto, que incluyen temperaturas de hasta 1000K y presiones de hasta 10 GPa, equivalentes a 100.000 veces más que en la superficie de la Tierra.

Estas simulaciones proporcionan una forma ingeniosa de evaluar el eslabón perdido entre las mediciones (en particular, los espectros vibratorios utilizados para descubrir las firmas de los iones en el agua) y las concentraciones de iones y moléculas en estas condiciones. Esta investigación, que se publicó recientemente en la revista Nature Communications, tiene importantes implicaciones para la comprensión del ciclo del carbono de la Tierra.

"Nuestra estrategia computacional facilitará en gran medida la determinación de la cantidad de carbono en las condiciones extremas del manto de la Tierra", dijo Giulia Galli, la profesora de ingeniería molecular de la familia Liew y profesora de química de la Universidad de Chicago, que también es científica principal del Laboratorio Nacional de Argonne y una de las autoras de la investigación.

"Junto con muchos otros grupos de investigación de todo el mundo, hemos formado 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 del grupo de Galli en UChicago, 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 un cuadro completo de la concentración y el movimiento del carbono en la tierra".

Es importante comprender cuánto carbono se encuentra en depósitos profundos a muchos kilómetros bajo tierra 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 la concentración del carbono cerca de la superficie, lo que en última instancia puede tener un impacto en el cambio climático mundial.

Lamentablemente, todavía no existe una técnica experimental para caracterizar directamente los carbonatos disueltos en el agua en condiciones de presión y temperatura extremas. Pan y Galli idearon una novedosa estrategia 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 llevar a cabo estas simulaciones, Pan y Galli descubrieron que la concentración de una especie específica importante - los iones de bicarbonato - ha sido subestimada por los modelos geoquímicos utilizados anteriormente. Propusieron una nueva visión de lo que sucede cuando se disuelve el dióxido de carbono en el agua en condiciones extremas.

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

La simulación de Galli y Pan se realizó en el Centro de Computación de Investigación en UChicago y en el Cluster de Computación del Observatorio de Carbono Profundo. Es solo una de las varias investigaciones en curso en el grupo de Galli sobre los iones en el agua y el agua en las interfaces.

Ganar un entendimiento más profundo de lo que ocurre cuando el agua -- y la materia disuelta o suspendida en el agua -- entra en contacto con esos sólidos es el foco del Centro AMEWS liderado por Argonne. Por ejemplo, en muchos sistemas de agua, un fenómeno conocido como fouling -- la acumulación de material no deseado en superficies sólidas en detrimento de la función -- ocurre en las interfaces.

"Un gran número 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, procesan y tratan el agua, incluyendo los iones, por supuesto", dijo Seth Darling, director de AMEWS y becario de PME. "Las simulaciones de mecánica cuántica de Galli, integradas con experimentos, pueden suponer una diferencia real en la comprensión de los fenómenos interfaciales acuosos donde los iones, como los carbonatos estudiados en Nature Communications, están presentes". 

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