Понимать то, как быстро и какими путями движется углекислый газ и углерод, важно из-за влияния CO2 на климат. Углекислый газ вызывает парниковый эффект и за счет этого повышает температуру на планете, поэтому рост его концентрации в последние десятки лет привел к глобальному потеплению. Данные геологических исследований говорят, что в прошлом глобальные потепления уже случались и разогревали планету до 40-60 градусов на экваторе, а еще раньше мы пережили глобальное похолодание, связанное с появлением первых фотосинтезирующих одноклеточных. Когда те израсходовали большую часть углекислого газа и переработали его в кислород и органику, температуры упали и Земля стала покрываться льдом — лед, по некоторым данным, покрывал планету едва ли не целиком. И глобальное потепление, и новый ледниковый период представляют собой очевидные угрозы человечеству в долговременной перспективе, поэтому знания о круговороте углерода относятся вовсе не к абстрактным теоретическим изысканиям.
Хотя и из простого любопытства стоит задаться вопросом — каковы должны быть условия на планете, чтобы там была пригодная для развития жизни атмосфера? Углекислый газ с одной стороны поставляется наружу вулканами, с другой стороны углерод изымается из воздуха живыми организмами и уходит в осадочные породы, которые движение литосферных плит утаскивает обратно в мантию планеты. В последние годы ученые находят все больше планет, на которых могли бы быть приемлемые температуры, но из чего должны быть сделаны обитаемые миры? Возможна ли необходимая для стабильного цикла углерода тектоника плит на супер-землях, может ли появиться жизнь на лунах планет-гигантов?
Ответы на эти вопросы требуют понимания того, что происходит глубоко под поверхностью. И тут возникают проблемы: даже Кольская сверхглубокая скважина проникла в толщу горных пород всего на 12 км, а самое интересное происходит на отметках в десятки и сотни километров. У нас пока даже нет технологий, позволяющих опуститься на такую глубину — и мы можем использовать только косвенные методы исследования. Например, сжатие и нагрев образцов минералов в лаборатории или компьютерное моделирование вещества, помещенного в экстремальные условия.
В журнале Proceedings of the National Academy of Sciences группа американских исследователей представила статью, в которой моделируется поведение воды при давлениях в несколько гигапаскалей и температуре около 1300°С. Это, как утверждают авторы, заметно больше изученного диапазона — по крайней мере, ранее ученым не удавалось определить такую характеристику, как диэлектрическая проницаемость жидкости. Диэлектричсекой проницаемостью называют способность вещества уменьшать силу взаимодействия электрических зарядов друг с другом и чем эта величина больше, тем лучший изолятор можно сделать из этого материала. А еще эта же величина влияет на способность жидкости растворять различные химикаты, что напрямую затрагивает геохимиков.
Спрогнозировать то, как углерод будет перемещаться в мантии планеты, нельзя без знания того, могут ли содержащие его минералы растворяться в воде. Точнее, в той перегретой жидкости, которая существует при высокмо давлении и температуре. Ученые сначала смоделировали сжатие и нагрев воды, потом определили ее диэлектрическую проницаемость, а уже потом эта информация позволила выяснить то, что такая сжатая перегретая вода будет растворять обычно нерастворимый карбонат магния.
Карбонат магния встречается в виде магнезита и входит в состав доломита, оба этих минерала довольно распространены и меют осадочное происхождение. Так как на больших глубинах они начинают растворяться, это ускоряет перемещение углерода и в итоге полный оборот в цикле «атмосфера — живые организмы — осадочные породы — магма — вулканы — атмосфера» будет совершаться заметно быстрее.