Onder onze voeten leeft een ongelooflijk complex systeem, metalen naar de aardkorst transporteren en talloze chemische reacties ondergaan die ons dagelijks leven beïnvloeden. Deze interacties met het milieu beïnvloeden alles, van ons vermogen om de bodem te gebruiken om voedsel te produceren en de reinheid van ons drinkwater tot hoe we ons veranderende klimaat kunnen verzachten. Mensen hebben een enorme impact op de ondergrond van de aarde - door mijnbouw, winning van fossiele brandstoffen, irrigatie en opslag van energieafval - en we hebben te maken met de milieuproblemen die daaruit voortvloeien. En toch, wij kunnen het niet zien.

Om virtueel in de grond te kijken, veel onderzoekers gebruiken complexe modelleringsbenaderingen die rekening houden met factoren zoals de interacties tussen micro-organismen en hoe planten water en voedingsstoffen opnemen en teruggeven. Deze biogeochemische benaderingen - essentiële hulpmiddelen voor de aardwetenschappen en andere gebieden - vormen het brood en boter van onderzoek door Kate Maher, een universitair hoofddocent aardsysteemwetenschap aan Stanford's School of Earth, Energie- en milieuwetenschappen (Stanford Earth).

In deze vraag en antwoord Maher legt uit hoe moderne wetenschappers het onzichtbare zichtbaar maken terwijl ze de processen onderzoeken die verontreinigingen transporteren en het aardoppervlak vormen. Om dit te doen, ze gebruiken modellering en visualisaties die de nieuwste wiskundige technieken bevatten, detectietechnologie en enorme hoeveelheden gegevens. Maher was co-redacteur van de huidige speciale uitgave van Elements Magazine , getiteld "Reactief transportmodellering, " dat geeft een meer diepgaande kijk op dit vakgebied.

Wat is reactieve transportmodellering?

Het meeste water dat we drinken, brengt een aanzienlijk deel van zijn leven door als grondwater. Als water door de grond stroomt, het interageert met complexe minerale oppervlakken, organische stof en micro-organismen die uiteindelijk kunnen beïnvloeden hoe voedingsstoffen en verontreinigingen door milieusystemen worden getransporteerd. Grondwatersystemen strekken zich uit van meters tot kilometers onder het oppervlak, en dus zijn modellen het enige instrument dat we hebben om het onzichtbare leven van water te bestuderen.

Reactieve transportmodellen (RTM's) zijn geavanceerde algoritmen die beschrijvingen van vloeistofstroming, transportprocessen en biogeochemische reacties om veranderingen in opgeloste stoffen te berekenen, mineralen en zelfs microbiële gemeenschappen in ruimte en tijd. De modellen zijn gedurende tientallen jaren opgebouwd om voortdurend state-of-the-art beschrijvingen van de transportprocessen en de biogeochemie te integreren. In zekere zin, ze zijn een bibliotheek met onze kennis van alles, van de fysica van grondwaterstroming tot de details van microbiële metabolismes.

De reacties en het transport moeten samen worden berekend omdat ze vaak sterk op elkaar inwerken, en dit is vooral belangrijk voor systemen die zijn beïnvloed door menselijke activiteit. Bijvoorbeeld, op veel plaatsen die getroffen zijn door grondwaterverontreiniging, een gebruikelijke methode om het water op te ruimen is om organische koolstof te injecteren om een ​​reactie in de micro-organismen te veroorzaken. Maar de poging kan mislukken als er te veel microbiële groei in de buurt van de put is, verstopping van de porieruimte. Door modellen te gebruiken om een ​​opruimstrategie te simuleren, wetenschappers op deze locaties kunnen betere strategieën ontwerpen om het water op te ruimen.

Het vermogen om processen over lange tijdschalen te modelleren, of zelfs duizenden tot miljoenen jaren, is een ander belangrijk kenmerk van RTM's. Deze modellen hebben ons geholpen de snelheid te begrijpen waarmee rotsen oplossen om bodems te vormen, of de componenten van chemische verwering - van de rol van planten en micro-organismen bij het oplossen van mineralen tot de snelheid waarmee koolstofdioxide in regenwater wordt omgezet in bicarbonaat, een sleutelproces in de koolstofcyclus op lange termijn dat onze atmosfeer controleert.

Wat zijn enkele toepassingen van reactieve transportmodellering?

De meeste landschappen die we om ons heen zien, bevatten een erfenis uit het verleden die van cruciaal belang kan zijn voor het begrijpen van de door de mens veroorzaakte of natuurlijke verstoringen die zich vandaag en in de toekomst voordoen. Soms ontdekken geowetenschappers raadselachtige signalen in oude rotsen en willen ze weten wat ze ons kunnen vertellen over de omgeving van de aarde miljoenen tot miljarden jaren in het verleden. Gezien de noodzaak om een ​​breed scala aan tijdschalen en processen te overspannen, reactief transport heeft zijn weg gevonden naar bijna elk gebied van de geowetenschappen en we geven enkele voorbeelden in ons inleidende artikel, gevolgd door zes andere actuele artikelen.

De opslag van kernafval is een zeer belangrijke toepassing geweest, gezien de noodzaak om de stabiliteit van verschillende afvalpakketten voor honderdduizenden jaren te voorspellen onder onbekende toekomstige klimaatscenario's. Grondwaterverontreiniging is een ander belangrijk gebied geweest. Strategieën voor het opruimen van het milieu, vooral die waarbij micro-organismen of andere technische interventies betrokken zijn, moeten voor elke site worden gesimuleerd en begrepen voordat ze worden ingezet. Op verontreinigde locaties, RTM's worden zowel gebruikt als hulpmiddelen voor het bepalen van opruimstrategieën en voor het ontwikkelen van regelgevende richtlijnen. Een belangrijk voorbeeld is het gebruik van modellen om de arseenverontreiniging op locaties over de hele wereld te begrijpen. Eindelijk, geologische koolstofopslag, waarbij enorme hoeveelheden koolstofdioxide in diepe geologische lagen worden geïnjecteerd, is een ander gebied geweest waar modellen worden gebruikt om te schatten hoeveel van de kooldioxide in het grondwater oplost en hoeveel onoplosbaar zou kunnen worden, en dus meer permanent afgezonderd.

Hoe kunnen deze technieken ons inzicht geven in klimaatverandering of het bereiken van klimaatoplossingen?

Mensen injecteren koolstof in het oceaanatmosfeersysteem met een snelheid die ongeveer 70 keer het vermogen van de aarde is om het op te slaan. De aarde sekwestreert koolstof door een opeenvolging van reacties waarbij mineralen in de bodem worden opgelost, gevolgd door neerslag van kalksteen in de oceanen. Een belangrijke vraag is:hoe kunnen we dit natuurlijke proces nabootsen om de koolstofdioxide die we uitstoten veilig op te slaan? In sommige rotsen, het kooldioxide zal nooit mineralen vormen en het zal altijd het potentieel hebben om naar de drinkwatervoorziening of terug naar de atmosfeer te migreren.

Bodems zijn een ander belangrijk gebied. Bodemkoolstof is het grootste koolstofreservoir op of nabij het aardoppervlak en is daarom bijzonder gevoelig voor veranderingen in landgebruik, evenals voor veranderingen in temperatuur en bodemvocht in verband met klimaatverandering. Veel van de huidige modellen van aardsystemen die worden gebruikt om de koolstofcyclus in de toekomst te voorspellen - inclusief die welke worden gebruikt door het Intergouvernementeel Panel voor klimaatverandering (IPCC) - bevatten verouderde beschrijvingen van koolstoftransformaties in de bodem en geen expliciete behandeling van micro-organismen. Om dit probleem aan te pakken, wetenschappers die RTM's gebruiken, zijn actief bezig met het vinden van manieren om de weergave van koolstof in de bodem in modellen van het aardsysteem te verbeteren. Dit kan variëren van het effect van droogte op micro-organismen tot de rol die bodemmineralen spelen bij het vastleggen van koolstof. Het uiteindelijke doel is het verminderen van de onzekerheid over de reactie van bodems op klimaatverandering.

Wat heeft ervoor gezorgd dat je dit vakgebied hebt nagestreefd en welke vaardigheden zijn daarvoor nodig?

Als bachelor, Ik heb altijd van informatica gehouden. Echter, opgegroeid in de bergen van het westen, Ik maakte me ook grote zorgen over het milieu. Een van mijn eerste cursussen op de graduate school was in geodynamica, en bij het zoeken naar een onderwerp voor mijn eindwerk, Ik ontdekte reactieve transportmodellen en was helemaal gefascineerd.

Ik zou zeggen dat de belangrijkste vaardigheid waarschijnlijk het vermogen is om van anderen te leren. RTM's putten uit de kennis en expertise van een ongelooflijk diverse reeks vakgebieden, zodat er maar heel weinig mensen zijn die zowel de numerieke als de conceptuele onderbouwing van de modellen volledig kunnen begrijpen. Er zal altijd iemand zijn die meer weet over de geschiedenis van het veld, de microbiële stofwisseling of de lineaire algebrabibliotheken. De taak van de modelleur is uiteindelijk om deze informatie op zinvolle manieren te verzamelen. Echter, het eindeloze potentieel om kennis te integreren in wetenschappelijke gemeenschappen betekent ook dat RTM's ongelooflijk krachtige platforms voor samenwerking kunnen zijn.

Ik heb geleerd dat een mix van vastberadenheid, nieuwsgierigheid en geduld is cruciaal. In ons toolkit-artikel, we schetsen enkele van de belangrijkste gebieden. Een solide achtergrond in programmeren en wiskunde zijn uiterst nuttig, of het in ieder geval gemakkelijker maken om aan de slag te gaan. De modellen zijn zo complex dat het gemakkelijk is om resultaten te produceren die fysiek niet logisch zijn, dus de mogelijkheid om de heersende vergelijkingen voor massa te gebruiken, momentum en energiebesparing om grensgevallen te ontwikkelen is ook uiterst belangrijk.

De meeste reguliere RTM's worden gebouwd en onderhouden door wetenschappers van het Amerikaanse Department of Energy National Laboratory, waardoor er relatief weinig opleidingsmogelijkheden zijn en het veld nog klein is, met slechts enkele opleidingen aan universiteiten. Gezien het enorme potentieel van deze modellen, dit is iets wat wetenschappers die RTM's gebruiken proberen aan te pakken door innovatieve nieuwe onderwijsmogelijkheden te ontwikkelen.