Каждый год миллиарды тонн $CO_2$ выбрасываются в атмосферу. Значительная часть этого объёма попадает в океаны Земли, где может реагировать с водой, образуя угольную кислоту, которая вызывает подкисление океана.
Хотя многие исследования были сосредоточены на том, как этот процесс происходит глубоко внутри жидкости, меньше внимания уделялось тому, как эта реакция протекает на границах раздела сред, где вода встречается с другим веществом, например, на поверхности океана.
В исследовании, опубликованном в PNAS, учёные из Кембриджа и Университетского колледжа Лондона обнаружили, что $CO2$ может реагировать в самом верхнем слое воды через новый механизм «внутрь-наружу». В этом процессе $CO2$ вместо полного растворения в воде ненадолго погружается в поверхностный слой, реагирует и затем вновь появляется. Это происходит в очень тонком слое, толщиной всего в несколько молекул.
«Это похоже на то, как будто $CO_2$ вместо того, чтобы глубоко погружаться в воду для реакции, делает быстрое погружение в воду, частично растворяясь в самом верхнем слое воды, где он может реагировать с образованием угольной кислоты. Затем эта кислота возвращается на поверхность и вновь всплывает», — сказал Сэмюэль Брукс, первый автор статьи и доктор философии в Кембриджском университете.
Механизм «внутрь-наружу» ставит под сомнение предыдущие предположения о том, где и как $CO_2$ может превращаться в угольную кислоту, и показывает, что реакции могут происходить прямо у поверхности воды, а не только глубоко внутри неё.
Понимание того, как $CO_2$ реагирует у поверхности воды, имеет решающее значение для улучшения климатических моделей и прогнозов.
Учёные знают из предыдущих исследований, что большое количество $CO2$ собирается на поверхности океана. Теперь команда из Кембриджа предполагает, что этот поверхностный $CO2$ не должен полностью растворяться перед реакцией. Вместо этого он может реагировать там, где находится, что означает, что подкисление океана может происходить быстрее, чем считалось ранее.
«К сожалению, это говорит о том, что текущие прогнозы об изменениях pH океана, который измеряет его кислотность, могут быть недооценены», — сказал Брукс. «Это делает необходимость в точных климатических моделях ещё более актуальной».
Учёные использовали машинное обучение для изучения процесса подкисления у границы раздела воздух-вода. Модели, обученные на точных данных квантового уровня, позволили им смоделировать реакцию на уровне атомов и молекул. На основе этих наблюдений на молекулярном уровне исследователи смогли сделать значимые прогнозы, такие как энергии реакции и пути их протекания.
Исследователи были удивлены сходством реакции на границе раздела и в объёмном растворе. Они ожидали, что реакция образования угольной кислоты будет намного сложнее у поверхности воды, чем глубже в воде, из-за меньшего количества молекул воды, доступных для химических реакций.
«Но благодаря этому механизму «внутрь-наружу» мы обнаружили, что отсутствие окружающих молекул воды у поверхности не усложнило реакцию, как мы первоначально предполагали, и энергия, необходимая для образования угольной кислоты, была примерно такой же у поверхности, как и глубже в воде», — сказал Брукс.
Обнаружив основной механизм реакции, команда также была поражена тем, насколько сильно изменились свойства реакции на таком коротком расстоянии.
«Перемещая $CO_2$ всего на долю нанометра — переходя от нахождения на поверхности воды к нахождению в самом верхнем слое — мы практически сократили барьер для реакции вдвое», — сказал доктор Кристоф Шран, руководитель группы FAST в Кавендишской лаборатории, которая возглавляла исследование.
«То, что мы наблюдали такие резкие изменения на начальной стадии диффузии реакции, было замечательно. Это заставило нас задуматься: есть ли какой-либо другой фундаментальный процесс, который поддаётся таким изменениям? Какие ещё механизмы реакций мы можем обнаружить?»
Команда исследователей планирует расширить своё моделирование, включив в него другие вещества, такие как ионы натрия, хлорида и карбоната, которые в изобилии содержатся в океанах Земли. Это добавит дополнительный уровень реализма в их моделирование, помогая более точно прогнозировать тенденции pH и реакционную способность поверхности.
Предоставлено Университетом Кембриджа.