Углерод в океане, полученный в атомном масштабе

Растворенный углерод океана (DOC) в океане - один из крупнейших резервуаров восстановленного углерода на Земле. Он примерно в 200 раз больше, чем живая биосфера, и сравним по размеру с атмосферным CO ₂ резервуар. Из-за своей сложности охарактеризовано менее 10 процентов растворенного органического углерода. Важно понимать, что это за углеродный резервуар, чтобы мы могли предсказать, как этот углеродный резервуар будет реагировать на повышение температуры в результате изменения климата.

Ученые из IBM Research - Zurich объединились с химиками-океанографами из Цюрихского университета, Калифорнийского университета в Ирвине и Калифорнийского университета в Санта-Круз, чтобы сфотографировать молекулы, присутствующие в растворенном в океане органическом углероде. Этот метод позволяет морским ученым изучить структуру отдельных молекул в глубоких океанских бассейнах, чтобы лучше понять углеродный цикл океана. Наше исследование опубликовано сегодня в рецензируемом журнале Geophysical Research Letters .

Загадочное дело

Хотя растворенный органический углерод в основном происходит с поверхности океана из современного фитопланктона, как это ни парадоксально, средний возраст (определенный с помощью радиоуглеродного датирования) примерно на 2400 лет старше, чем мы ожидали! Это указывает на то, что часть углерода переживает несколько циклов глубинного перемешивания океана. Есть несколько обсуждаемых парадигм, объясняющих эту загадку. Одна из основных теорий предполагает, что долгое существование углерода в глубинах океана объясняется его химической структурой. Однако структура растворенного органического углерода до сих пор не отображалась.

Слева :АСМ изображение с использованием кончика 5,6,8-триметил-2,3-дигидро-1H-циклопента [b] нафталина, молекулы, обнаруженной в глубоких океанах, с использованием кончика, функционализированного CO. Справа:изображение АСМ с использованием кончика молекулы, функционализированной CO, обнаруженной в глубине северной части Тихого океана.

Новые инструменты в аналитической химии, наряду с химической океанографией, разрушают препятствия на пути к более полному пониманию поверхностного и глубоко растворенного органического углерода. Сложность соединений в растворенном органическом углероде огромна. Этот океанический пул углерода содержит много тысяч различных молекул. В IBM мы используем атомно-силовой микроскоп (АСМ) для получения изображений отдельных молекул с атомным разрешением и определения их молекулярной структуры - метод, изобретенный учеными IBM в 2009 году.

Слева справа:Лео Гросс, IBM Research - Цюрих; Алиша Инес Коппола, Цюрихский университет; Фабиан Шульц, IBM Research - Цюрих и Шади Фатайер, IBM Research - Цюрих

В ходе нашего исследования мы проанализировали образцы растворенного океанического углерода, собранные с поверхности и из глубоких (2500 м) вод северной части Тихого океана, чтобы выяснить причину стойкости растворенного органического углерода в океанах.

Наши результаты указывают на существенные различия между молекулами на поверхности и в глубине. Для сравнения, молекулы из глубинных вод более плоские и содержат меньше алифатических групп, чем молекулы на поверхности. Эти результаты подтверждают гипотезу о том, что старость растворенного в глубоком океане органического углерода связана с его структурной стойкостью.

Почему нам нужно заботиться о растворенном органическом углероде?

Растворенный органический углерод - это огромный резервуар углерода, примерно равный количеству углерода в нашей атмосфере. Чтобы понять круговорот углерода и то, как он изменится в океанах с повышением температуры, нам необходимо понять непоколебимость, стоящую за этим древним резервуаром морского растворенного органического углерода.

В мире, где океанские воды становятся все более и более загрязненными день ото дня, и в свете Всемирного дня окружающей среды, этот метод позволит морским ученым исследовать отдельные химические структуры, присутствующие в океанских бассейнах, чтобы лучше понять круговорот углерода и раскрыть «здоровье» наших океанов.

Прямая визуализация структур отдельных ароматических соединений в низкомолекулярном морском растворенном органическом углероде , DOI:10.1029 / 2018GL077457