Modellering af Jordens kemi:Gør det usynlige synligt

Et utroligt komplekst system lever under vores fødder, transportere metaller til jordskorpen og undergå et utal af kemiske reaktioner, der påvirker vores daglige liv. Disse miljøinteraktioner påvirker alt fra vores evne til at bruge jord til at producere mad og renheden af ​​vores drikkevand til, hvordan vi kan afbøde vores skiftende klima. Mennesker har en enorm indflydelse på Jordens undergrund - gennem minedrift, udvinding af fossilt brændsel, kunstvanding og opbevaring af energiaffald - og vi er nødt til at håndtere de miljøproblemer, der følger. Og stadigvæk, vi kan ikke se det.

For næsten at kigge i jorden, mange forskere bruger komplekse modelleringsmetoder, der tegner sig for faktorer som interaktioner mellem mikroorganismer, og hvordan planter absorberer og returnerer vand og næringsstoffer. Disse biogeokemiske tilgange - væsentlige værktøjer til jordvidenskaben og andre områder - er brød og smør af forskning af Kate Maher, lektor i jordsystemvidenskab ved Stanford's School of Earth, Energi- og miljøvidenskab (Stanford Earth).

I dette spørgsmål og svar, Maher forklarer, hvordan moderne forskere gør det usynlige synligt, når de undersøger de processer, der transporterer forurenende stoffer og former Jordens overflade. At gøre dette, de bruger modellering og visualiseringer, der inkorporerer de nyeste matematiske teknikker, sensorteknologi og enorme mængder data. Maher redigerede det aktuelle specialnummer af Elements Magazine , med titlen "Reaktiv transportmodellering, "Det giver et mere indgående kig på dette felt.

Hvad er reaktiv transportmodellering?

Det meste af det vand, vi drikker, bruger en betydelig del af sit liv som grundvand. Når vandet strømmer gennem jorden, det interagerer med komplekse mineraloverflader, organisk stof og mikroorganismer, der i sidste ende kan påvirke, hvordan næringsstoffer og forurenende stoffer transporteres gennem miljøsystemer. Grundvandssystemer strækker sig fra meter til kilometer under overfladen, og dermed er modeller det eneste værktøj, vi har til at studere vandets usynlige liv.

Reaktive transportmodeller (RTM'er) er avancerede algoritmer, der kombinerer beskrivelser af væskestrøm, transportprocesser og biogeokemiske reaktioner for at beregne ændringer i opløste stoffer, mineraler og endda mikrobielle samfund over plads og tid. Modellerne er blevet opbygget gennem årtier for løbende at inkorporere topmoderne beskrivelser af transportprocesserne såvel som biogeokemien. På en eller anden måde, de er et bibliotek, der indeholder vores viden om alt fra grundvandstrømmens fysik til detaljerne i mikrobielle metabolisme.

Reaktionerne og transporten skal beregnes sammen, fordi de ofte stærkt interagerer, og dette er især vigtigt for systemer, der er blevet påvirket af menneskelig aktivitet. For eksempel, på mange steder, der er ramt af grundvandsforurening, en almindelig metode til at rense vandet er at injicere organisk kulstof for at forårsage en reaktion i mikroorganismerne. Men forsøget kan mislykkes, hvis der er for meget mikrobiel vækst nær brønden, tilstopning af porerummet. Ved at bruge modeller til at simulere en oprydningsstrategi, forskere på disse steder kan designe bedre strategier til at rydde op i vandet.

Evnen til at modellere processer over lange tidsskalaer, eller endda tusinder til millioner af år, er en anden nøglefunktion i RTM'er. Disse modeller har hjulpet os med at forstå den hastighed, hvormed sten opløses for at danne jord, eller komponenterne i kemisk forvitring - fra planters og mikroorganismeres rolle i at opløse mineraler til den hastighed, hvormed kuldioxid i regnvand omdannes til bikarbonat, en vigtig proces i den langsigtede kulstofcyklus, der styrer vores atmosfære.

Hvad er nogle anvendelser af reaktiv transportmodellering?

De fleste af de landskaber, vi ser omkring os, indeholder en arv fra fortiden, der kan være kritisk for at forstå de menneskedrevne eller naturlige forstyrrelser, der forekommer i dag og ind i fremtiden. Nogle gange opdager geoforskere forvirrende signaler i gamle klipper og vil vide, hvad de kan fortælle os om Jordens miljøer millioner til milliarder af år tidligere. I betragtning af behovet for at spænde over en bred vifte af tidsskalaer og processer, reaktiv transport har fundet vej til næsten alle områder inden for geovidenskaben, og vi giver nogle eksempler i vores indledende artikel, efterfulgt af seks andre aktuelle artikler.

Opbevaring af atomaffald har været en meget vigtig anvendelse, givet behovet for at forudsige stabiliteten i forskellige affaldspakker i hundredtusinder af år under ukendte fremtidige klimascenarier. Grundvandsforurening har været et andet vigtigt område. Miljøoprydningsstrategier, især dem, der involverer mikroorganismer eller andre manipulerede indgreb, skal simuleres og forstås for hvert websted, før de implementeres. På forurenede steder, RTM'er bruges både som værktøjer til anvendelsesområdet for oprydningsstrategier og til at udvikle lovgivningsmæssige retningslinjer. Et vigtigt eksempel har været brugen af ​​modeller til at forstå arsenforurening på steder rundt om i verden. Endelig, geologisk kulstofopbevaring, som indebærer indsprøjtning af massive mængder kuldioxid i dybe geologiske lag, har været et andet område, hvor modeller bruges til at estimere, hvor meget af kuldioxiden, der opløses i grundvandet, og hvor meget der kan blive uopløseligt, og derfor mere permanent afsat.

Hvordan kan disse teknikker informere vores forståelse af klimaforandringer eller opnåelse af klimaløsninger?

Mennesker injicerer kulstof i havatmosfæresystemet med en hastighed, der er omkring 70 gange Jordens kapacitet til at opsuge det. Jorden opsuger kulstof gennem en række reaktioner, der involverer opløsning af mineraler i jord, efterfulgt af udfældning af kalksten i havene. Et centralt spørgsmål er:Hvordan kan vi efterligne denne naturlige proces for sikkert at lagre den kuldioxid, vi udsender? I nogle klipper, kuldioxiden vil aldrig danne mineraler, og den vil altid have potentiale til at migrere til drikkevandsforsyninger eller tilbage til atmosfæren.

Jord er et andet vigtigt område. Jordkulstof er det største reservoir af kulstof på eller nær jordens overflade, og det er derfor særligt følsomt over for ændringer i arealanvendelse, samt ændringer i temperatur og jordfugtighed forbundet med klimaændringer. Mange af de nuværende modeller af Jordsystemer, der bruges til at forudsige kulstofcyklussen ind i fremtiden - herunder dem, der bruges af det mellemstatlige panel for klimaændringer (IPCC) - indeholder forældede beskrivelser af jordens kulstofomdannelser og ingen eksplicit behandling af mikroorganismer. For at løse dette problem, forskere, der bruger RTM'er, er aktivt engagerede i at finde måder at forbedre repræsentationen i jordkulstof i jordsystemmodeller. Dette kan variere fra tørkens indvirkning på mikroorganismer til den rolle, jordmineraler spiller i opsamling af kulstof. Det endelige mål er at reducere usikkerheden omkring jordens reaktion på klimaændringer.

Hvad fik dig til at forfølge dette felt, og hvilke færdigheder kræver det?

Som bachelor, Jeg har altid elsket datalogi. Imidlertid, vokset op i vestens bjerge, Jeg var også dybt bekymret for miljøet. Et af mine første kurser på forskerskolen var i geodynamik, og på udkig efter et emne til mit sidste papir, Jeg opdagede reaktive transportmodeller og var fuldstændig fascineret.

Jeg vil sige, at den vigtigste færdighed sandsynligvis er evnen til at lære af andre. RTM'er trækker på viden og ekspertise inden for en utrolig mangfoldig række områder, sådan, at der er meget få mennesker, der fuldt ud kan forstå både det numeriske og konceptuelle underlag for modellerne. Der vil altid være nogen, der ved mere om feltwebstedets historie, de mikrobielle metabolisme eller de lineære algebra -biblioteker. Modellerens opgave er i sidste ende at høste disse oplysninger på meningsfulde måder. Imidlertid, det uendelige potentiale for at integrere viden på tværs af videnskabelige samfund betyder også, at RTM'er kan være utrolig stærke platforme for samarbejde.

Jeg har lært, at en blanding af beslutsomhed, nysgerrighed og tålmodighed er afgørende. I vores værktøjskitartikel, vi skitserer nogle af de centrale områder. En solid baggrund inden for programmering og matematik er yderst nyttig, eller i det mindste gøre det lettere at komme i gang. Modellerne er så komplekse, at det er let at producere resultater, der ikke giver fysisk mening, så evnen til at bruge de styrende ligninger til masse, momentum og energibesparelse for at udvikle begrænsende tilfælde er også ekstremt vigtig.

De fleste af de almindelige RTM'er er bygget og vedligeholdt af amerikanske Department of Energy National Laboratory forskere, hvilket betyder, at der er relativt få træningsmuligheder, og feltet stadig er lille, med kun få programmer på universiteter. I betragtning af disse modellers enorme potentiale, det er noget forskere, der bruger RTM'er, forsøger at løse ved at udvikle innovative nye muligheder for uddannelse.