Forskere udvikler værktøjer til at forudsige spredning af kemiske fjer, forurenende stoffer

Den 4. april, 2017, byen Khan Sheikhoun i det nordvestlige Syrien oplevede et af de værste kemiske angreb i nyere historie. En plum af sarin gas spredte sig mere end 10 kilometer (ca. seks miles), båret af livlig turbulens, dræber mere end 80 mennesker og sårer hundredvis.

Forfærdet over angrebet, men også inspireret til at gøre noget nyttigt, Kiran Bhaganagar, professor i maskinteknik ved University of Texas i San Antonio, og hendes team fra Laboratory of Turbulence Sensing and Intelligence Systems, brugte computermodeller til at replikere spredningen af ​​den kemiske gas. Resultaterne blev offentliggjort i Naturlige farer i maj 2017. Nøjagtigheden af ​​hendes simuleringer viste evnen til at fange virkelige forhold på trods af mangel på information.

"Hvis der pludselig er et kemisk angreb, spørgsmål, der er vigtige, er:'hvor langt går det' og 'hvilken retning går det, '"Sagde Bhaganagar." Dette er afgørende for evakueringer. "

Bhaganagars forskning støttes af U.S. Department of Army Edgewood Chemical and Biological Center (ECBC), der håber at vedtage hendes modeller for at hjælpe i tilfælde af et angreb på amerikansk jord.

Kemikalier, om det er giftige midler som sarin gas eller udstødning fra køretøjer rejse anderledes end andre partikler i atmosfæren. Som skovbrande, som kan bevæge sig utrolig hurtigt, kemikalier skaber deres egne mikrobetingelser, afhængig af materialets tæthed og hvordan det blandes med atmosfæren. Dette fænomen er kendt som livlig turbulens, og det fører til bemærkelsesværdige forskelle i, hvordan kemikalier rejser i løbet af dagen eller om natten, og i forskellige sæsoner.

"Om natten og tidligt om morgenen selv når du har stille vind, gradienterne er meget skarpe, hvilket betyder, at kemikalier rejser hurtigere, "Forklarede Bhaganagar.

Selv almindelig turbulens er vanskelig at matematisk modellere og forudsige. Det fungerer på en række skalaer, hver interagerer med de andre, og spreder energi, når den bevæger sig til de mindste niveauer. Modellering af livlig turbulens er endnu sværere. For at forudsige virkningerne af turbulens på spredningen af ​​kemiske partikler, Bhaganagars team kørte computersimuleringer på Stampede2 -supercomputeren i Texas Advanced Computing Center (TACC), det største system på ethvert amerikansk universitet.

"Vi går ind i fysikken i det og forsøger at forstå, hvad hjørnerne er, og hvor energien er, "Sagde Bhaganagar." Vi nedbryder problemet, og hver processor løser en lille portion. Derefter satte vi alt sammen igen for at visualisere og analysere resultaterne. "

Bhaganagar brugte TACC's supercomputere gennem initiativet fra University of Texas Research Cyberinfrastructure (UTRC), hvilken, siden 2007, har givet forskere ved nogen af ​​University of Texas Systems 14 institutioner adgang til TACCs ressourcer, ekspertise og uddannelse.

Baggrundsatmosfæren og tidspunktet på dagen spiller en stor rolle i spredningen. I tilfælde af angrebene i Syrien, Bhaganagar skulle først bestemme vindhastighederne, temperatur, og hvilken slags kemikalier der er tale om. Med disse oplysninger i hånden, hendes model i høj opløsning var i stand til at forudsige, hvor langt og i hvilken retning kemiske fjer vandrede.

"I Syrien, det var meget dårligt, fordi timingen fik det til at være ideelle betingelser for at sprede sig meget hurtigt, "sagde hun." Vi kørte den faktiske sag om Syrien på TACC -supercomputeren, fik alle baggrundsoplysninger og tilføjede det til modellerne, og vores modeller fangede grænserne for plume og hvilke byer den spredte sig til. Vi så, at det lignede meget det, der blev rapporteret i nyhederne. Det gav os tillid til, at vores system fungerer, og at vi kunne bruge det som et evakueringsværktøj. "

Forskningen er målrettet mod kortsigtede forudsigelser:forståelse i hvilken retning kemikalier vil sprede sig inden for et fire timers vindue og arbejde med første respondenter for at indsende personale på passende vis.

Imidlertid, at køre modellen med høj opløsning tager tid. I tilfælde af Syrien -simuleringen, det krævede fem hele dage med nummerknusning på Stampede2 for at fuldføre. Under et rigtigt angreb, sådan tid ville ikke være tilgængelig. Følgelig, Bhaganagar udviklede også en grovere model, der bruger en database over sæsonbetingede forhold som baggrundsinformation for at fremskynde beregningerne.

Til dette formål, Bhaganagars team har introduceret en ny mobil sensingprotokol, hvor de implementerer billige mobile sensorer bestående af luftdroner og jordbaserede sensorer til at indsamle de lokale vinddata og bruge courser-modellen til at forudsige fjerdetransporten.

Ved hjælp af denne metode, de fire timers forudsigelser kan beregnes på så lidt som 30 minutter. Hun arbejder på at bringe tiden endnu længere ned, til 10 minutter. Dette ville give embedsmænd mulighed for hurtigt at udstede nøjagtige evakueringsordrer, eller placere personale, hvor det er nødvendigt for at hjælpe med at beskytte borgerne.

"Der er næsten ingen modeller, der kan forudsige dette nøjagtighedsniveau, "Sagde Bhaganagar." Hæren bruger lastbiler med mobile sensorer, som de sender ind i en cirkel omkring kilden. Men det er meget dyrt, og de skal sende soldater, hvilket er en fare for dem. "I fremtiden vil hæren håber at kombinere computersimuleringer og live overvågning i tilfælde af et kemisk angreb.

Bhaganagar vil gennemføre tests i de kommende måneder på den amerikanske hærs forsøgsanlæg i Maryland for at afgøre, hvor godt droner kan forudsige vindforhold nøjagtigt.

"Jo højere nøjagtighed dataene er - vindhastigheden, vindretning, lokal temperatur - jo bedre forudsigelse, "forklarede hun." Vi bruger droner til at give os yderligere data. Hvis du kan indsætte disse data i modellen, nøjagtigheden for vinduet på fire timer er meget højere. "

Seneste, hun og hendes kandidatstuderende, hvem er ph.d. kandidat, Sudheer Bhimireddy, integrerede deres flydende turbulensmodel med high-resolution Advanced Research Weather Research and Forecast-modellen for at forstå atmosfærens stabilitet ved kortsigtet transport af kemiske fjer. Forskningen fremgår af september 2018-udgaven af Atmosfærisk forureningsforskning

Udvikling af værktøjer til at opdage forurening i dit samfund

I beslægtet arbejde finansieret af National Science Foundation, Bhaganagar har vedtaget sin kemiske plume -model til at spore forurening. Hun håber, at hendes kodeks kan hjælpe lokalsamfund med at forudsige lokale forureningsforhold.

Ifølge Bhaganagar, billige vind- og gassensorer, der er købt af et samfund, kan hjælpe med at producere daglige prognoser, så enkeltpersoner kan tage de nødvendige forholdsregler, når forureningsniveauerne er koncentreret i et område. Den seneste indsats har forsøgt at bestemme, hvor mange sensorer der er nødvendige for at muliggøre nøjagtige lokale forudsigelser.

"Kan vi opdage forureningszoner og træffe effektive foranstaltninger for at undgå forurening?" Spurgte Bhaganagar. "Hvis vi havde vores egne små modeller, som vi kunne bruge i vores lokalsamfund, ville det have en stor indvirkning på forureningen."

Selvom forudsigelser om forurening fra samfundet i sidste ende ville køre på computere af forbrugerkvalitet, sådanne forudsigelser ville ikke være mulige uden adgang til supercomputere til at teste modellerne og generere en database med baggrundsforhold.

"TACC -ressourcer er så værdifulde, "sagde hun." Jeg ville ikke engang have forsøgt disse forskningsprojekter, hvis jeg ikke havde adgang til TACC -supercomputere. De er absolut nødvendige for at udvikle nye turbulensmodeller, der kan redde liv i fremtiden. "