Strømmer mod renere floder

Hvordan ser en flodforsker ud? Spørgsmålet kan fremkalde billeder af mennesker, der læner sig over siderne af både for at samle vandprøver eller står i hvirvlende strømme med store net for at fange snavs, brysthøje vadere næsten helt nedsænket.

Du forestiller dig sandsynligvis ikke nogen, der sidder ved en computer, skrive kode og udarbejde komplekse algoritmer. Alligevel er det sådan, Xiaofeng Liu, en assisterende professor i civil- og miljøteknik ved Penn State og et Institute for CyberScience (ICS), der lejer med hinanden, studerer floder:ved at modellere dem beregningsmæssigt.

Liu er ekspert i at skabe computermodeller af væsker, og han anvender sine evner til at forudsige, hvordan vand - og materialer suspenderet eller opløst i vand - flyder i floder. Dette arbejde har store konsekvenser for miljøundersøgelser.

"Vi arbejder i øjeblikket på et projekt for at kvantificere, hvor meget kuldioxid (CO2) floder udsender til atmosfæren, "sagde Liu." Dette er afgørende for at beregne vores globale kulstofbudget og forstå klimaændringer. "

Floder, der trækker vejret

Nylig forskning ved Yale University, offentliggjort i tidsskriftet Natur , har fundet ud af, at floder bidrager med betydelige mængder CO2 til atmosfæren - op til en fjerdedel så meget CO2, som der udledes ved forbrænding af fossilt brændsel og ændringer i arealanvendelsen. Det er en forbløffende mængde, i betragtning af det relativt lille landområde, floder indtager.

For bedre at forstå dette fænomen, forskere har brug for en bedre måde at kvantificere, hvor meget CO2 -floder der faktisk producerer.

I samarbejde med University of Texas i Austin (UT) og Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), Lius laboratorium arbejder i øjeblikket på dette problem ved at oprette en model, der kan simulere bevægelse af kulstof fra flodvand ind i sedimentet af flodens bredder og seng, og omvendt. Denne bevægelse er vigtig, fordi størstedelen af ​​floden CO2 dannes, når kul siver ned i flodsedimentet og brænder CO2-producerende kemiske reaktioner op.

Kulstof strømmer gennem floder og ned i sediment gennem mange naturlige processer. Floder bærer ofte organiske materialer, såsom affald fra planter, der kan nedbrydes og afgive CO2.

Selvom der findes nogle modeller af flodens kulstofstrøm, Lius model er den første til at redegøre for, at vand passerer både ind og ud af flodsediment.

"De fleste modeller simulerer bevægelsen af ​​vandbårne enheder ind i sedimentet, men ikke omvendt, "sagde Liu." Faktisk, det er en tovejs gade, fordi vand siver ind i sedimentet samt strømmer ud af det. For at lave en virkelig præcis model, du skal simulere denne dynamiske bevægelse. "

De komplekse algoritmer, Liu bruger til at skabe denne model, kræver massiv beregningskraft. Liu er afhængig af computerkerner leveret af ICS-ACI, Penn State's højtydende forskningssky.

Lius partner ved UT vil afvikle fysiske eksperimenter i en 5-meters flue, en kunstig vandkanal beregnet til at efterligne adfærden i et flodafsnit. Disse eksperimenter vil give data, Liu har brug for for at forfine sin model.

Når modellen er kalibreret i lille skala, Lius PNNL-partnere vil teste det i en meget større skala-en to kilometer lang strækning af Columbia-floden i det nordvestlige Stillehav.

Den opskalerede model giver forskere mulighed for bedre at forstå flodernes indvirkning på de globale kulstofemissioner.

"Det problem, vi løser, kræver et team af eksperter med forskellige færdigheder, "sagde Liu." Det er spændende at levere den computermodellerende ekspertise til dette samarbejde. "

Liu håber, at hans model ikke kun vil blive brugt til at kvantificere kulstofemissioner fra floder, men også for at forstå spredningen af ​​forurenende stoffer ved floder.

"Modellen er meget fleksibel, "sagde Liu." Vi bruger det til at simulere kulstof, men med få ændringer kan det modellere mange forurenende stoffer i floden. "

Dette projekt er finansieret af Department of Energy (DoE), som kører PNNL. Liu mener, at DoE i sidste ende vil bruge modellen i bestræbelser på at rydde op i forurening i Columbia River, hvoraf dele er forurenet med atomaffald.

En snoede rejse

Selvom Lius arbejde vil blive brugt til at beskytte miljøet, han begyndte ikke sin karriere som miljøforsker. I stedet, som bachelor, han studerede bygning af vandkraftige dæmninger.

Men på efterskolen, han flyttede sit fokus til, hvordan dæmninger og andre menneskeskabte systemer påvirker miljøet, tage en kandidatgrad i miljøvidenskab.

"Ingeniører på det tidspunkt byggede dæmninger uden at tænke for meget på miljøpåvirkningen, "sagde Liu." Men gradvist, samfundet indså, at disse dæmninger forårsagede utilsigtede konsekvenser i floder. Efterhånden som bevidstheden voksede, Jeg blev mere interesseret i virkningerne af dæmninger og den negative indvirkning, de kan have. "

Lius rejse tog derefter en anden drejning. Efter at have opnået sin første kandidatgrad, han forfulgte en anden kandidat i anvendt matematik.

"De fleste af vores beregningsmodeller er baseret på løsning af differentialligninger, "sagde Liu." Jeg vidste, at jeg ville bruge disse modeller til at forstå flodernes dynamik, men jeg skulle først have en dyb forståelse af ligningerne. "

Studerende matematik gav Liu den ekspertise, han havde brug for for at forfølge sin doktorgrad i civilingeniør. Hans doktorgradsstudier fokuserede på beregningsmodellering af væsker.

Lius færdigheder finder mange anvendelsesmuligheder. Udover at udvikle modeller til carbon respiration -projektet, han har også arbejdet med emner lige fra undersøgelse af vandforurening forårsaget af hydraulisk brud (fracking) til at hjælpe med at afhjælpe farer fra ueksploderet ammunition under vandet. Han arbejder endda på et projekt, der skal hjælpe fisk med lettere at navigere i Susquehanna -floden.

"Der er mange vigtige og interessante spørgsmål derude, som jeg gerne vil besvare, "sagde Liu." Et stort problem er spørgsmålet om skala. Vi kan lave gode modeller af, hvad der sker i en flod i et lille rum. Men hvordan kan vi gøre modellen nøjagtig, når vi simulerer mange kilometer flod, uden at blive så kompleks, at det er for beregningsmæssigt intensivt at køre?

"Tidsskalaen er vanskelig, også. Nuværende modeller kan fortælle os, hvad der kan ske i løbet af et par timer eller dage. Men vi er også nødt til at forudsige ting, der kan ske årtier frem i tiden. At bygge bro mellem disse skalaer er en stor udfordring. "

Selvom disse udfordringer er skræmmende, Liu er ivrig efter at tage dem til sig. Han er motiveret af en fornemmelse af, hvor kritisk bevarelse af vores vandveje er for samfundet.

"Dette erhverv er gammelt, men har evig betydning for civilisationen, "sagde Liu." Uden vand, hvor ville vi være? "