από το Πανεπιστήμιο Johns Hopkins
Νέα ευρήματα από μια ομάδα υπό την ηγεσία του Πανεπιστημίου Johns Hopkins αποκαλύπτουν άγνωστες λεπτομέρειες σχετικά με τον άνθρακα βαθιά κάτω από την επιφάνεια της Γης και προτείνουν τρόπους με τους οποίους αυτός ο υπόγειος άνθρακας μπορεί να έχει επηρεάσει την ιστορία της ζωής στον πλανήτη.
Η ομάδα ανέπτυξε επίσης μια νέα, σχετική θεωρία για το πώς σχηματίζονται τα διαμάντια στον μανδύα της Γης.
Για δεκαετίες οι επιστήμονες είχαν ελάχιστη κατανόηση για το πώς συμπεριφερόταν ο άνθρακας βαθιά κάτω από την επιφάνεια της Γης, ακόμη και όταν μάθαιναν όλο και περισσότερα για τον ζωτικό ρόλο του στοιχείου στον φλοιό του πλανήτη. Χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο που δημιουργήθηκε από τον γεωχημικό του Johns Hopkins, Dimitri Sverjensky, αυτός, ο Vincenzo Stagno του Ινστιτούτου Carnegie της Ουάσιγκτον και ο Fang Huang, ένας μεταπτυχιακός φοιτητής του Johns Hopkins, έγιναν οι πρώτοι που υπολόγισαν πόσο άνθρακα και ποιους τύπους υπάρχουν σε ρευστά στα 100 μίλια κάτω. επιφάνεια της Γης σε θερμοκρασίες έως 2.100 βαθμούς Φ.
Σε ένα άρθρο που δημοσιεύθηκε αυτή την εβδομάδα στο περιοδικό Nature Geoscience , ο Sverjensky και η ομάδα του αποδεικνύουν ότι εκτός από το διοξείδιο του άνθρακα και το μεθάνιο που έχουν ήδη τεκμηριωθεί βαθιά στις ζώνες βύθισης, υπάρχει μια πλούσια ποικιλία οργανικών ειδών άνθρακα που θα μπορούσαν να πυροδοτήσουν το σχηματισμό διαμαντιών και ίσως ακόμη και να γίνει τροφή για μικροβιακή ζωή.
«Είναι μια πολύ συναρπαστική πιθανότητα αυτά τα βαθιά ρευστά να μπορούν να μεταφέρουν δομικά στοιχεία για τη ζωή στη ρηχή Γη», δήλωσε ο Sverjensky, καθηγητής στο Τμήμα Επιστημών της Γης και των Πλανητών. «Αυτό μπορεί να είναι ένα κλειδί για την προέλευση της ίδιας της ζωής».
Το θεωρητικό μοντέλο του Sverjensky, που ονομάζεται μοντέλο Deep Earth Water, επέτρεψε στην ομάδα να προσδιορίσει τη χημική σύνθεση των ρευστών στον μανδύα της Γης, που αποβλήθηκαν από τις κατερχόμενες τεκτονικές πλάκες. Μερικά από τα υγρά, αυτά που βρίσκονται σε ισορροπία με ορυκτά περιδοτίτη του μανδύα, περιείχαν το αναμενόμενο διοξείδιο του άνθρακα και μεθάνιο. Αλλά άλλα, αυτά που βρίσκονται σε ισορροπία με διαμάντια και οικολογικά ορυκτά, περιείχαν διαλυμένα οργανικά είδη άνθρακα, συμπεριλαμβανομένου ενός οξικού οξέος που μοιάζει με ξύδι.
Αυτές οι υψηλές συγκεντρώσεις ειδών διαλυμένου άνθρακα, που προηγουμένως ήταν άγνωστες σε μεγάλο βάθος στη Γη, υποδηλώνουν ότι βοηθούν στη μεταφορά μεγάλων ποσοτήτων άνθρακα από τη ζώνη καταβύθισης στην υπερκείμενη σφήνα του μανδύα, όπου είναι πιθανό να αλλοιώσουν τον μανδύα και να επηρεάσουν την ανακύκλωση των στοιχείων. πίσω στην ατμόσφαιρα της Γης.
Η ομάδα πρότεινε επίσης ότι αυτά τα υγρά του μανδύα με διαλυμένα οργανικά είδη άνθρακα θα μπορούσαν να δημιουργούν διαμάντια με έναν άγνωστο μέχρι τώρα τρόπο. Οι επιστήμονες πίστευαν από καιρό ότι ο σχηματισμός διαμαντιών προέκυψε μέσω χημικών αντιδράσεων που ξεκινούσαν είτε με διοξείδιο του άνθρακα είτε με μεθάνιο. Τα βιολογικά είδη προσφέρουν μια σειρά από διαφορετικά υλικά εκκίνησης και μια εντελώς νέα άποψη για τη δημιουργία των πολύτιμων λίθων.
Τα μοντέλα υπολογιστών δείχνουν πόσο βαθιά ο άνθρακας θα μπορούσε να επιστρέψει στην επιφάνεια της Γης
Οι προσομοιώσεις σε υπολογιστή του νερού υπό ακραία πίεση βοηθούν τους γεωχημικούς να κατανοήσουν πώς μπορεί να ανακυκλωθεί ο άνθρακας από εκατοντάδες μίλια κάτω από την επιφάνεια της Γης. Η εργασία, από ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, στο Ντέιβις και στο Πανεπιστήμιο Johns Hopkins, δημοσιεύεται στις 18 Μαρτίου στο περιοδικό Proceedings of the National Academy of Sciences .
Οι ενώσεις άνθρακα αποτελούν τη βάση της ζωής, παρέχουν τα περισσότερα από τα καύσιμα μας και συμβάλλουν στην κλιματική αλλαγή . Ο κύκλος του άνθρακα μέσω των ωκεανών, της ατμόσφαιρας και του ρηχού φλοιού της Γης έχει μελετηθεί εντατικά, αλλά λίγα είναι γνωστά για το τι συμβαίνει με τον άνθρακα βαθιά στη Γη.
"Προσπαθούμε να καταλάβουμε περισσότερα σχετικά με το εάν ο άνθρακας μπορεί να μεταφερθεί στα βαθιά της Γης μέσω υγρών πλούσιων σε νερό", δήλωσε ο συν-συγγραφέας Dimitri Sverjensky, καθηγητής Γης και Πλανητικών Επιστημών στο Πανεπιστήμιο Johns Hopkins.
Υπάρχει άφθονο νερό στον μανδύα, το στρώμα του πλανήτη που εκτείνεται εκατοντάδες μίλια κάτω από τον φλοιό της Γης, αλλά λίγα είναι γνωστά για το πώς συμπεριφέρεται το νερό κάτω από τις ακραίες συνθήκες εκεί - οι πιέσεις ανέρχονται σε εκατοντάδες τόνους ανά τετραγωνική ίντσα και οι θερμοκρασίες έχουν τελειώσει 2.500 F.
Τα πειράματα που αναπαράγουν αυτές τις συνθήκες είναι πολύ δύσκολο να γίνουν, είπε η Giulia Galli, καθηγήτρια χημείας και φυσικής στο UC Davis και συν-συγγραφέας της εργασίας. Οι γεωχημικοί έχουν μοντέλα για να κατανοήσουν τη βαθιά Γη, αλλά τους λείπει μια κρίσιμη παράμετρος για το νερό υπό αυτές τις συνθήκες: τη διηλεκτρική σταθερά, η οποία καθορίζει πόσο εύκολα θα διαλυθούν τα ορυκτά στο νερό.
"Όταν οι άνθρωποι χρησιμοποιούν μοντέλα για να κατανοήσουν τη Γη, πρέπει να βάλουν τη διηλεκτρική σταθερά του νερού - αλλά δεν υπάρχουν δεδομένα σε αυτά τα βάθη", είπε ο Galli.
Ο Galli και ο Sverjensky είναι συνεργάτες στο Deep Carbon Observatory, που υποστηρίζεται από το Ίδρυμα Alfred P. Sloan, το οποίο επιδιώκει να κατανοήσει τον ρόλο του άνθρακα στη χημεία και τη βιολογία βαθιά στη Γη.
Οι ερευνητές έχουν υποθέσει ότι ο άνθρακας, παγιδευμένος ως ανθρακικό στα κελύφη των μικροσκοπικών θαλάσσιων πλασμάτων , βυθίζεται στον πυθμένα του ωκεανού και μεταφέρεται στον μανδύα σε βυθιζόμενες πλάκες φλοιού και στη συνέχεια ανακυκλώνεται και διαφεύγει μέσω των ηφαιστείων, είπε ο Sverjensky. Αλλά δεν υπάρχει μηχανισμός που να εξηγεί πώς μπορεί να συμβεί αυτό.
Ο Ding Pan, ένας μεταδιδακτορικός ερευνητής στο UC Davis, χρησιμοποίησε προσομοιώσεις του νερού σε υπολογιστή για να προβλέψει πώς συμπεριφέρεται κάτω από ακραία πίεση και θερμοκρασία. Οι προσομοιώσεις δείχνουν ότι η διηλεκτρική σταθερά αλλάζει σημαντικά. Φέρνοντας αυτόν τον νέο παράγοντα στα υπάρχοντα μοντέλα νερού στον μανδύα, οι ερευνητές προβλέπουν ότι το ανθρακικό μαγνήσιο, το οποίο είναι αδιάλυτο στην επιφάνεια της Γης, θα διαλυόταν τουλάχιστον εν μέρει στο νερό σε αυτό το βάθος.
«Έχει θεωρηθεί ότι παραμένει στερεό, αλλά δείχνουμε ότι τουλάχιστον ένα μέρος του μπορεί να διαλυθεί και θα μπορούσε να επιστρέψει στην επιφάνεια, πιθανώς μέσω ηφαιστείων», είπε ο Sverjensky. «Σε γεωλογικά χρονοδιαγράμματα, πολύ υλικό μπορεί να κινηθεί με αυτόν τον τρόπο».
Ο Sverjensky είπε ότι η νέα εργασία μοντελοποίησης ήταν ένα "πρώτο βήμα" για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο ο άνθρακας βαθιά στη Γη μπορεί να επιστρέψει στην επιφάνεια.
Υδρογονάνθρακες στη βαθιά γη
(PhysOrg.com) -- Μια νέα υπολογιστική μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Proceedings of the National Academy of Sciences αποκαλύπτει πώς μπορούν να σχηματιστούν υδρογονάνθρακες από μεθάνιο στη βαθιά Γη σε ακραίες πιέσεις και θερμοκρασίες.
Οι θερμοδυναμικές και κινητικές ιδιότητες των υδρογονανθράκων σε υψηλές πιέσεις και θερμοκρασίες είναι σημαντικές για την κατανόηση των δεξαμενών και των ροών άνθρακα στη Γη.
Η εργασία παρέχει μια βάση για την κατανόηση πειραμάτων που απέδειξαν τον πολυμερισμό του μεθανίου για σχηματισμό υψηλών υδρογονανθράκων και παλαιότερες αντιδράσεις σχηματισμού μεθανίου υπό πίεση .
Οι υδρογονάνθρακες (μόρια που αποτελούνται από τα στοιχεία υδρογόνο και άνθρακα) είναι το κύριο δομικό στοιχείο του αργού πετρελαίου και του φυσικού αερίου. Οι υδρογονάνθρακες συμβάλλουν στον παγκόσμιο κύκλο του άνθρακα (ένας από τους πιο σημαντικούς κύκλους της Γης που επιτρέπει την ανακύκλωση και επαναχρησιμοποίηση του άνθρακα σε όλη τη βιόσφαιρα και όλους τους οργανισμούς της).
Η ομάδα περιλαμβάνει συναδέλφους στο UC Davis, Lawrence Livermore National Laboratory και Shell Projects & Technology. Μία από τους ερευνητές, η καθηγήτρια του UC Davis, Giulia Galli, είναι η συμπρόεδρος της Διεύθυνσης Φυσικής και Χημείας του Deep Carbon του Παρατηρητηρίου Deep Carbon και πρώην ερευνήτρια του LLNL.
Οι γεωλόγοι και οι γεωχημικοί πιστεύουν ότι σχεδόν όλοι (πάνω από το 99 τοις εκατό) των υδρογονανθράκων στο εμπορικά παραγόμενο αργό πετρέλαιο και φυσικό αέριο σχηματίζονται από την αποσύνθεση των υπολειμμάτων ζωντανών οργανισμών, οι οποίοι θάφτηκαν κάτω από στρώματα ιζημάτων στον φλοιό της Γης, μια περιοχή περίπου 5-10 μίλια κάτω από την επιφάνεια της Γης.
Ωστόσο, υδρογονάνθρακες αμιγώς χημικής προέλευσης σε βάθος φλοιού ή μανδύα (αβιογενείς) θα μπορούσαν να εμφανιστούν σε ορισμένα γεωλογικά περιβάλλοντα, όπως ρήγματα ή ζώνες καταβύθισης, δήλωσε ο Galli, ανώτερος συγγραφέας της μελέτης.
«Η μελέτη προσομοίωσης μας δείχνει ότι τα μόρια μεθανίου συντήκονται για να σχηματίσουν μεγαλύτερα μόρια υδρογονανθράκων όταν εκτίθενται στις πολύ υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις του ανώτερου μανδύα της Γης», είπε ο Galli. «Δεν λέμε ότι υψηλότεροι υδρογονάνθρακες εμφανίζονται στην πραγματικότητα κάτω από τις ρεαλιστικές συνθήκες «βρώμικου» μανδύα της Γης, αλλά λέμε ότι οι πιέσεις και οι θερμοκρασίες από μόνες τους είναι κατάλληλες για να συμβεί αυτό.
Ο Galli και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν το σύμπλεγμα υπολογιστών Mako στο Μπέρκλεϋ και υπολογιστές στο Lawrence Livermore για να προσομοιώσουν τη συμπεριφορά των ατόμων άνθρακα και υδρογόνου στις τεράστιες πιέσεις και θερμοκρασίες που βρέθηκαν 40 έως 95 μίλια βαθιά μέσα στη Γη. Χρησιμοποίησαν εξελιγμένες τεχνικές βασισμένες στις πρώτες αρχές και το σύστημα λογισμικού υπολογιστών Qbox, που αναπτύχθηκε στο UC Davis.
Βρήκαν ότι υδρογονάνθρακες με πολλαπλά άτομα άνθρακα μπορούν να σχηματιστούν από μεθάνιο, (ένα μόριο με μόνο ένα άτομο άνθρακα και τέσσερα άτομα υδρογόνου) σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες από 1.500 Κ (2.240 βαθμούς Φαρενάιτ) και πιέσεις 50.000 φορές μεγαλύτερες από αυτές στην επιφάνεια της Γης (συνθήκες βρέθηκαν περίπου 70 μίλια κάτω από την επιφάνεια).
«Στην προσομοίωση, οι αλληλεπιδράσεις με επιφάνειες μετάλλου ή άνθρακα επέτρεψαν στη διαδικασία να συμβεί πιο γρήγορα -- λειτουργούν ως «καταλύτες»», δήλωσε ο Leonardo Spanu του UC Davis, ο πρώτος συγγραφέας της εργασίας. Η έρευνα δεν εξετάζει εάν οι υδρογονάνθρακες που σχηματίζονται βαθιά στη Γη θα μπορούσαν να μεταναστεύσουν πιο κοντά στην επιφάνεια και να συμβάλουν στα κοιτάσματα πετρελαίου ή αερίου. Ωστόσο, η μελέτη επισημαίνει πιθανούς μικροσκοπικούς μηχανισμούς σχηματισμού υδρογονανθράκων κάτω από πολύ υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις. Οι συν-συγγραφείς του Galli στο χαρτί είναι ο Spanu. Davide Donadio στο Ινστιτούτο Max Planck στο Meinz της Γερμανίας. Ο Detlef Hohl στη Shell Global Solutions, Χιούστον. και Eric Schwegler του Lawrence Livermore National Laboratory.
Μια ανεξάντλητη πηγή ενέργειας από μεθάνιο στη βαθιά Γη
Ανεκμετάλλευτα αποθέματα μεθανίου, του κύριου συστατικού του φυσικού αερίου, μπορεί να βρεθούν βαθιά στον φλοιό της Γης, σύμφωνα με μια πρόσφατα δημοσιευμένη έκθεση στο Proceedings of the National Academy of Sciences των Ηνωμένων Πολιτειών της Αμερικής (PNAS). Αυτά τα αποθέματα θα μπορούσαν να είναι μια σχεδόν ανεξάντλητη πηγή ενέργειας για τις μελλοντικές γενιές. Η ομάδα ερευνητών από το Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Livermore, το Γεωφυσικό Εργαστήριο του Ινστιτούτου Carnegie, το Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, το Εθνικό Εργαστήριο Argonne και το Πανεπιστήμιο της Ιντιάνα, στο South Bend, έδειξε ότι το μεθάνιο σχηματίζεται υπό συνθήκες που εμφανίζονται στον ανώτερο μανδύα της Γης.
Το μεθάνιο είναι ο πιο άφθονος υδρογονάνθρακας στον φλοιό της Γης και είναι το κύριο συστατικό του φυσικού αερίου. Ωστόσο, τα πηγάδια πετρελαίου και φυσικού αερίου συνήθως ανοίγουν μόνο 5 έως 10 χιλιόμετρα κάτω από την επιφάνεια. Αυτά τα βάθη αντιστοιχούν σε πιέσεις μερικών χιλιάδων ατμοσφαιρών.
Χρησιμοποιώντας μια κυψέλη άκμονα διαμαντιού, οι επιστήμονες συμπίεσαν υλικά κοινά στην επιφάνεια της Γης - οξείδιο του σιδήρου (FeO), ασβεστίτη (CaCO3) (το κύριο συστατικό του μαρμάρου) και νερό σε πιέσεις που κυμαίνονταν από 50.000 έως 110.000 ατμόσφαιρες και θερμοκρασίες πάνω από 2.500 βαθμούς Fahrenheit. να δημιουργήσει συνθήκες παρόμοιες με αυτές που βρίσκονται βαθιά μέσα στη Γη.
Το μεθάνιο (CH4) σχηματίζεται με συνδυασμό του άνθρακα στον ασβεστίτη με το υδρογόνο στο νερό. Η αντίδραση έλαβε χώρα σε ένα εύρος θερμοκρασιών και πιέσεων. Η παραγωγή μεθανίου ήταν πιο ευνοϊκή στους 900 βαθμούς Φαρενάιτ και 70.000 ατμόσφαιρες πίεσης.
Τα πειράματα δείχνουν ότι μια μη βιολογική πηγή υδρογονανθράκων μπορεί να βρίσκεται στον μανδύα της Γης και δημιουργήθηκε από αντιδράσεις μεταξύ νερού και βράχου — όχι μόνο από την αποσύνθεση ζωντανών οργανισμών.
«Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν ότι το μεθάνιο σχηματίζεται εύκολα από την αντίδραση μαρμάρου με ορυκτά πλούσια σε σίδηρο και νερό υπό συνθήκες τυπικές στον ανώτερο μανδύα της Γης», δήλωσε ο Laurence Fried, του Livermore's Chemistry and Materials Science Directorate. «Αυτό υποδηλώνει ότι μπορεί να υπάρχουν αναξιοποίητα αποθέματα μεθανίου πολύ κάτω από την επιφάνεια της Γης. Οι υπολογισμοί μας δείχνουν ότι το μεθάνιο είναι θερμοδυναμικά σταθερό υπό συνθήκες τυπικές του μανδύα της Γης, υποδεικνύοντας ότι τέτοια αποθέματα θα μπορούσαν ενδεχομένως να υπάρχουν για εκατομμύρια χρόνια».
Η μελέτη δημοσιεύεται στις αρχές του Σεπτεμβρίου 13-17, σε απευθείας σύνδεση έκδοση του PNAS.
Ο μανδύας είναι ένα πυκνό, θερμό στρώμα ημι-στερεού βράχου πάχους περίπου 2.900 χιλιομέτρων. Ο μανδύας, που περιέχει περισσότερο σίδηρο, μαγνήσιο και ασβέστιο από τον φλοιό, είναι θερμότερος και πυκνότερος επειδή η θερμοκρασία και η πίεση στο εσωτερικό της Γης αυξάνονται με το βάθος. Λόγω των θερμοκρασιών που μοιάζουν με καταιγίδα και της πίεσης σύνθλιψης στον μανδύα της Γης, τα μόρια συμπεριφέρονται πολύ διαφορετικά από ό,τι στην επιφάνεια.
«Όταν κοιτάξαμε τα δείγματα κάτω από αυτές τις πιέσεις και θερμοκρασίες, αποκάλυψαν οπτικές αλλαγές ενδεικτικές του σχηματισμού μεθανίου», είπε ο Fried. «Σε θερμοκρασίες πάνω από 2.200 βαθμούς Φαρενάιτ, ανακαλύψαμε ότι ο άνθρακας στον ασβεστίτη σχημάτιζε διοξείδιο του άνθρακα αντί για μεθάνιο. Αυτό σημαίνει ότι το μεθάνιο στο εσωτερικό της Γης μπορεί να υπάρχει σε βάθη μεταξύ 100 και 200 χιλιομέτρων. Αυτό έχει ευρείες επιπτώσεις για τα αποθέματα υδρογονανθράκων του πλανήτη και θα μπορούσε να δείξει ότι το μεθάνιο είναι πιο διαδεδομένο στον μανδύα από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως. Λόγω του τεράστιου μεγέθους του μανδύα της Γης, τα αποθέματα υδρογονανθράκων στον μανδύα θα μπορούσαν να είναι πολύ μεγαλύτερα από τα αποθέματα που βρίσκονται επί του παρόντος στον φλοιό της Γης».
https://phys.org/news/2004-09-inexhaustible-source-energy-methane-deep.html
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου