模拟确定缺少的链接以确定深层地球储层中的碳

了解地球的碳循环对理解气候变化和生物圈健康具有重要意义。

但是科学家们还不了解地球储水罐中到底有多少碳，例如地幔处于极压状态的水中，因为在这种条件下很难进行实验。

芝加哥大学普利兹克分子工程学院（PME）和香港科技大学的研究人员创建了一个复杂的计算机模拟，可以帮助科学家确定地幔条件下的碳浓度。包括高达1000K的温度和高达10 GPa的压力，这是地球表面的100,000倍。

这些模拟提供了一种巧妙的方法来评估测量（尤其是用于发现水中离子特征的振动光谱）与这些条件下的离子和分子浓度之间缺少的联系。这项研究最近发表在《自然通讯》杂志上，对理解地球的碳循环具有重要意义。

“我们的计算策略将极大地方便在地球地幔的极端条件下确定碳的含量，”芝加哥大学分子生物学教授，同时也是阿贡大学资深科学家的廖氏家族分子工程教授，化学教授朱利亚·加利（Giulia Galli）说。国家实验室和该研究的作者之一。

前博士后丁潘说：“与世界上许多其他研究小组一起，我们参与了一个大型项目，旨在了解地球上存在多少碳以及碳如何从内部向地面移动。”加利大学芝加哥分校研究员，该研究的第一作者，香港科技大学现任物理和化学助理教授。“这是迈向全面了解地球上碳浓度和运动的一步。”

迈向更好地了解碳循环的一步

了解地下许多英里深的储层中有多少碳非常重要，因为据估计，地球90％以上的碳都埋在其内部。深碳影响地表附近碳的形式和浓度，最终可能影响全球气候变化。

不幸的是，尚无实验技术可直接表征在极端压力和温度条件下溶于水中的碳酸盐。Pan和Galli设计了一种新颖的策略，将光谱结果与基于量子力学的复杂计算相结合，以确定极端条件下水中离子和分子的浓度。

通过进行这些模拟，Pan和Galli发现先前使用的地球化学模型低估了特定重要物种（碳酸氢根离子）的浓度。他们提出了一种新的观点，即在极端条件下将二氧化碳溶解在水中会发生什么情况。

加里说：“确定在压力下将二氧化碳溶解在水中时会发生什么，对于理解地球内部碳的化学性质至关重要。” “我们的研究有助于理解深层碳循环，这将极大地影响地球表面附近的碳收支。”

Galli和Pan的模拟在UChicago的研究计算中心和Deep Carbon Observatory计算机集群中进行。这只是Galli研究小组正在进行的界面中水和水中离子的几项研究之一。

了解水的通用模拟工具

Argonne领导的AMEWS中心的重点是加深对水以及溶解或悬浮在水中的物质与这些固体接触时所发生的情况的了解。例如，在许多水系统中，在界面处会发生一种称为结垢的现象，即有害物质在固体表面上的积累，损害了功能。

“当然，水周围环境面临的许多挑战集中在水与构成处理，处理和处理水（包括离子）的系统的材料之间的界面上，” AMEWS的负责人Seth Darling说。 PME研究员。“加里的量子力学模拟与实验相结合，可以在理解存在离子的水界面现象方面产生真正的不同，其中离子如《自然通讯》中研究的碳酸盐一样。”