Щоб створити гори з доломіту, звичайного мінералу, його необхідно періодично розчиняти. Ця, здавалося б, парадоксальна концепція може допомогти створити нові бездефектні напівпровідники тощо. Протягом двох століть вченим не вдавалося виростити звичайний мінерал у лабораторії в умовах, які, як вважають, утворилися природним шляхом. Тепер команда дослідників з Університету Мічигану та Університету Хоккайдо в Саппоро, Японія, нарешті зробила це завдяки новій теорії, розробленій на основі атомного моделювання.

Їх успіх розв’язує давню геологічну таємницю під назвою «проблема доломіту». Доломіт — ключовий мінерал у Доломітових горах в Італії, Ніагарському водоспаді, Білих скелях Дувра та Худу в Юті — дуже поширений у гірських породах старше 100 мільйонів років, але майже відсутній у молодших утвореннях.

Важливість розуміння зростання доломіту

«Якщо ми зрозуміємо, як росте доломіт у природі, ми можемо вивчити нові стратегії сприяння росту кристалів сучасних технологічних матеріалів», — сказав Веньхао Сун, професор матеріалознавства та інженерії Dow на початку кар’єри в Університеті Університету та відповідний автор статті. опубліковано в Science.

Секрет остаточного вирощування доломіту в лабораторії полягав у видаленні дефектів у структурі мінералу під час його зростання. Коли мінерали утворюються у воді, атоми зазвичай акуратно осідають на краю кристалічної поверхні, що росте. Проте межа росту доломіту складається з чергування рядів кальцію та магнію. У воді кальцій і магній випадково прикріплюються до кристалів доломіту, що ростуть, часто застрягаючи не в тому місці та створюючи дефекти, які перешкоджають утворенню додаткових шарів доломіту. Цей розлад уповільнює ріст доломіту до повзання, тобто знадобиться 10 мільйонів років, щоб створити лише один шар упорядкованого доломіту.

На щастя, ці дефекти не зафіксовані на місці. Оскільки невпорядковані атоми менш стабільні, ніж атоми в правильному положенні, вони першими розчиняються, коли мінерал промивається водою. Багаторазове змивання цих дефектів — наприклад, дощем або циклами припливів — дозволяє сформувати доломітовий шар лише за кілька років. Протягом геологічного часу можуть накопичуватися гори доломіту.

Передові методи моделювання

Щоб точно змоделювати ріст доломіту, дослідникам потрібно було обчислити, наскільки міцно або нещільно атоми прикріпляться до існуючої поверхні доломіту. Для найточнішого моделювання потрібна енергія кожної окремої взаємодії між електронами та атомами у зростаючому кристалі. Такі вичерпні розрахунки зазвичай вимагають величезної обчислювальної потужності, але програмне забезпечення, розроблене в Центрі прогнозної структури матеріалознавства U-M (PRISMS), запропонувало короткий шлях.

«Наше програмне забезпечення розраховує енергію для деяких структур атомів, а потім екстраполює, щоб передбачити енергії для інших структур на основі симетрії кристалічної структури», — сказав Брайан Пучала, один із провідних розробників програмного забезпечення та науковий співробітник відділу U-M. матеріалознавства та інженерії. Цей ярлик зробив можливим моделювання зростання доломіту в геологічних масштабах часу.

«Кожен атомарний крок зазвичай займає понад 5000 годин ЦП на суперкомп’ютері. Тепер ми можемо зробити те саме обчислення за 2 мілісекунди на настільному комп’ютері», – сказав Джунсу Кім, докторант матеріалознавства та інженерії та перший автор дослідження.

Практичне застосування та перевірка теорії

Кілька областей, де сьогодні утворюється доломіт, періодично затоплюються, а потім висихають, що добре узгоджується з теорією Суна та Кіма. Але лише таких доказів було недостатньо, щоб бути повністю переконливими. З’являються Юкі Кімура, професор матеріалознавства з Університету Хоккайдо, і Томоя Ямазакі, докторант у лабораторії Кімури. Вони перевірили нову теорію за допомогою трансмісійних електронних мікроскопів.

«Електронні мікроскопи зазвичай використовують електронні промені лише для зображення зразків», — сказав Кімура. «Однак промінь також може розщеплювати воду, утворюючи кислоту , яка може спричинити розчинення кристалів. Зазвичай це погано для візуалізації, але в цьому випадку розчинення – це саме те, чого ми хотіли».

Помістивши крихітний кристал доломіту в розчин кальцію і магнію, Кімура і Ямазакі обережно поштовхували електронний промінь 4000 разів протягом двох годин, розчиняючи дефекти. Після імпульсів було видно, що доломіт виріс приблизно на 100 нанометрів — приблизно у 250 000 разів менше ніж дюйм. Хоча це було лише 300 шарів доломіту, ніколи раніше в лабораторії не було вирощено більше ніж п’ять шарів доломіту. Уроки, отримані з проблеми доломітів, можуть допомогти інженерам виробляти якісніші матеріали для напівпровідників, сонячних панелей, батарей та іншої техніки.

«У минулому виробники кристалів, які хотіли виробляти матеріали без дефектів, намагалися вирощувати їх дуже повільно», — сказав Сан. «Наша теорія показує, що ви можете швидко вирощувати бездефектні матеріали, якщо періодично розчиняти дефекти під час росту».

Згідно з нещодавньою статтею в Oxford Open Climate Change, опублікованою Oxford University Press, ефективні стратегії боротьби зі зміною клімату повинні включати більше, ніж просто скорочення парникових газів. Про це йдеться в аналізі кліматичних даних під керівництвом дослідника Джеймса Хансена.

Вчені з 1800-х років знають, що інфрачервоні (парникові) гази нагрівають поверхню Землі та що надлишок парникових газів змінюється як природним шляхом, так і діями людини. 

Роджер Ревелл, який був одним із перших вчених, які вивчали глобальне потепління, писав у 1965 році, що індустріалізація означає, що люди проводять «великий геофізичний експеримент», спалюючи викопне паливо, яке додає вуглекислий газ (CO₂) у повітря. Вуглекислий газ досяг рівня, якого не існувало мільйони років.

Чутливість до клімату

Давня проблема стосується того, наскільки підвищиться глобальна температура за певного збільшення CO₂. У дослідженні 1979 року, опублікованому Національною академією наук Сполучених Штатів, було зроблено висновок, що подвоєння атмосферного CO₂  із зафіксованими льодовими покривами, ймовірно, призведе до глобального потепління на 1,5–4,5° Цельсія.

Це був великий діапазон, і була додаткова невизначеність щодо затримки потепління, спричиненої величезним океаном Землі. Ця нова стаття переоцінює чутливість клімату на основі покращених палеокліматичних даних, виявляючи, що клімат є більш чутливим, ніж зазвичай передбачається. Їхня найкраща оцінка подвоєного CO₂  – це глобальне потепління на 4,8°C, що значно перевищує найкращу оцінку Міжурядової групи експертів ООН зі зміни клімату на 3°C.

Аерозолі

Автори також дійшли висновку, що більша частина очікуваного потепління парникових газів у минулому столітті була компенсована охолоджуючим ефектом створених людиною аерозолів – дрібних частинок у повітрі. Кількість аерозолів зменшилася з 2010 року внаслідок зменшення забруднення повітря в Китаї та глобальних обмежень на викиди аерозолів із суден.

Таке зменшення кількості аерозолів корисно для здоров’я людини, оскільки забруднення повітря твердими частинками вбиває кілька мільйонів людей на рік і негативно впливає на здоров’я ще багатьох людей. Однак зменшення аерозолів тепер починає викривати потепління парникових газів, яке було приховане охолодженням аерозолів.

Автори довгий час називали аерозольне охолодження «фаустівською угодою», оскільки, оскільки людство врешті-решт зменшує забруднення повітря, приходить оплата у вигляді збільшення потепління.

Прогнозування

Ця нова стаття передбачає, що після 2010 року прискорення глобального потепління незабаром стане очевидним вище рівня природної мінливості клімату. Передбачається, що швидкість глобального потепління в 1970-2010 рр., що становила 0,18°C на десятиліття, зросте щонайменше до 0,27°C на десятиліття протягом декількох десятиліть після 2010 року. У результаті рівень глобального потепління в 1,5°C буде пройдено цього десятиліття, а Рівень 2°C буде перевищено протягом наступних двох десятиліть.

Політика

У заключному розділі Хансен описує свою точку зору, засновану на десятиліттях досвіду спроб вплинути на політику уряду. По-перше, він вважає, що досягнення швидкого поступового скорочення викидів CO₂ потребує зростання внутрішнього збору за викиди вуглецю з прикордонним митом на продукти з країн, які не сплачують збору за викиди вуглецю, а також підтримки сучасної атомної енергетики на додаток до відновлюваних джерел енергії.

По-друге, він стверджує, що Захід, який головним чином відповідає за зміну клімату, повинен співпрацювати з країнами, що розвиваються, щоб допомогти їм досягти енергетичних шляхів, які відповідають сприятливому клімату для всіх.

По-третє, навіть за таких зусиль Хансен вважає, що глобальне потепління досягне рівня з небезпечними наслідками; він стверджує, що ми також повинні проводити дослідження та розробки для тимчасових, цілеспрямованих дій для вирішення нині величезного енергетичного дисбалансу Землі.

Десять років тому Хансен зазначив, що Земля вийшла з енергетичного балансу на 0,6 Вт/м²  (ват на квадратний метр). Надходить набагато більше енергії (поглиненого сонячного світла), ніж виходить (теплове випромінювання в космос). Цей надлишок, який є безпосередньою причиною глобального потепління, еквівалентний 400 000 атомних бомб Хіросіми на день, причому більша частина цієї енергії йде в океан.

Тепер, в основному через зменшення кількості аерозолів, дисбаланс подвоївся приблизно до 1,2 Вт/м². Цей величезний дисбаланс є безпосередньою причиною прискореного глобального потепління та посиленого танення полярного льоду, що, ймовірно, призведе до зупинки циркуляції в океані та призведе до значного, швидкого підвищення рівня моря пізніше цього століття.

У документі стверджується, що такі дії будуть необхідними, щоб уникнути більшої геотрансформації, яка відбудеться за відсутності таких дій. Потенційні дії включають введення стратосферних аерозолів, для яких вулкани надають відповідні, але неадекватні тестові приклади, і розпилення солоної океанської води автономними вітрильниками в регіонах, сприйнятливих до засівання хмарами.

Хансен пропонує, щоб молоді люди зосередилися на основній проблемі, яка виникла в західних демократіях, особливо в Сполучених Штатах: «Ідеал одна людина/один голос був замінений на один долар/один голос», — стверджував Гансен. «Особливі фінансові інтереси – промисловість викопного палива, хімічна промисловість, лісопромисловість, харчова промисловість, наприклад – можуть купувати політиків. Не дивно, що клімат виходить з-під контролю, токсичність навколишнього середовища знищує комах, у тому числі запилювачів, лісами погано керують, а сільське господарство створено для прибутку, а не для харчування та добробуту населення».

«Ми живемо на планеті з кліматом, який характеризується запізнілою реакцією, що є рецептом несправедливості між поколіннями», — продовжив Гансен. «Молоді люди повинні зрозуміти цю ситуацію та дії, необхідні для забезпечення світлого майбутнього для себе та своїх дітей». Джерело