Chaque année, des milliards et des milliards de tonnes de CO2 sont pompés dans l'atmosphère. Une proportion importante de cela se termine dans les océans de la Terre, où il peut réagir avec l'eau pour former l'acide carbonique, ce qui provoque l'acidification des océans.
Bien que de nombreuses recherches se soient concentrées sur la façon dont ce processus se produit profondément à l'intérieur du liquide, moins d'attention a été accordée à la façon dont cette réaction se déroule aux interfaces aqueuses, où l'eau rencontre une autre substance, par exemple, à la surface de l'océan.
Dans une étude publiée dans PNALes chercheurs de Cambridge et de l'université du Collège London ont constaté que le CO₂ peut réagir dans la plus grande couche d'eau, à travers un nouveau mécanisme « In and Out ». Dans ce processus, au lieu de se dissoudre complètement dans l'eau, le co₂ plonge brièvement dans la couche de surface, réagit, puis réapparaît. Cela se produit dans une couche très mince, juste quelques molécules d'épaisseur.
« C'est comme, au lieu de plonger profondément dans l'eau pour réagir, Co₂ fait une baisse rapide dans l'eau, se dissolvant partiellement dans la couche d'eau la plus supérieure où elle peut réagir pour former de l'acide carbonique. Cette espèce acide revient ensuite à la surface et recule » Étudiant au Cambridge de Cambridge Hamied Department of Chemistry and Cavendish Laboratory.
Le mécanisme INT et SORT remet en question les hypothèses précédentes sur l'endroit où et comment le CO₂ peut se transformer en acide carbonique et montre que les réactions peuvent se produire à la surface de l'eau, pas seulement profondément à l'intérieur.
Comprendre comment le Co₂ réagit à la surface de l'eau est crucial pour améliorer les modèles et les prédictions climatiques.
Les scientifiques savent des études antérieures que de grandes quantités de co₂ se rassemblent à la surface de l'océan. Maintenant, l'équipe de Cambridge suggère que cette surface Co₂ n'a pas besoin de se dissoudre complètement avant de réagir. Au lieu de cela, il peut réagir juste là où il se trouve, ce qui signifie que l'acidification de l'océan pourrait se produire plus rapidement qu'on ne le pensait précédemment.
« Malheureusement, cela suggère que les prédictions actuelles sur les changements dans le pH de l'océan, qui mesurent son acidité, peuvent être sous-estimées », a déclaré Brookes. « Cela rend le besoin de modèles climatiques précis encore plus urgents. »
Les scientifiques ont utilisé l'apprentissage automatique pour étudier ce processus d'acidification à l'interface air-eau. Les modèles, formés sur des données précis au niveau quantique, leur ont permis de simuler la réaction au niveau des atomes et des molécules. À partir de ces observations au niveau moléculaire, les chercheurs pourraient alors faire des prédictions significatives telles que les énergies de réaction et les voies.
Les chercheurs ont été surpris par la similitude entre la réaction à l'interface et en solution en vrac. Ils s'attendaient à ce que la réaction de former de l'acide carbonique soit beaucoup plus difficile à la surface de l'eau que plus profonde dans l'eau en raison de moins de molécules d'eau disponibles, ce qui peut rendre les réactions chimiques plus difficiles.
« Mais à cause de ce mécanisme dans et à l'extérieur, nous avons constaté que l'absence de molécules d'eau environnantes à la surface n'a pas rendu la réaction plus difficile comme nous l'avions initialement prédite, et l'énergie nécessaire pour former l'acide carbonique était à peu près la même à la surface que dans l'eau », a déclaré Brookes.
Après avoir découvert le mécanisme de réaction sous-jacent, l'équipe était également fascinée par la quantité de propriétés de réaction a changé sur une si courte distance.
« En déplaçant le co₂ juste une fraction d'un nanomètre – en passant du sommet de l'eau à résider dans la couche la plus haute – nous avons pratiquement réduit la barrière de réaction en deux », a déclaré le Dr Christoph Schran, chef du groupe rapide du Cavendish Laboratory, qui a mené la recherche.
« Que nous avons observé des changements aussi drastiques au cours du stade de diffusion initial de la réaction était remarquable. Cela nous a fait nous demander: y a-t-il un autre processus fondamental qui se prête à de tels changements? Quels autres mécanismes de réaction pouvons-nous découvrir? »
L'équipe de recherche prévoit désormais d'étendre leur modélisation pour inclure d'autres espèces telles que les ions de sodium, de chlorure et de carbonate, qui sont abondants dans les océans de la Terre. Cela ajoutera une nouvelle couche de réalisme à leurs simulations, en aidant dans la prédiction plus précise des tendances du pH et de la réactivité de surface.
