Hoe ziet een rivieronderzoeker eruit? De vraag kan beelden oproepen van mensen die over de zijkanten van boten leunen om watermonsters te verzamelen of in wervelende stromingen staan ​​met grote netten om puin op te vangen, borsthoge steltlopers bijna volledig onder water.

Je stelt je waarschijnlijk niet iemand voor die achter een computer zit, code schrijven en complexe algoritmen bedenken. Toch is dit hoe Xiaofeng Liu, een assistent-professor civiele en milieutechniek aan Penn State en een medehuurder van het Institute for CyberScience (ICS), bestudeert rivieren:door ze computationeel te modelleren.

Liu is een expert in het maken van computermodellen van vloeistoffen, en hij past zijn vaardigheden toe om te voorspellen hoe water - en materialen die in water zijn gesuspendeerd of opgelost - in rivieren stromen. Dit werk heeft grote implicaties voor milieustudies.

"We werken momenteel aan een project om te kwantificeren hoeveel koolstofdioxide (CO2) rivieren in de atmosfeer uitstoten, " zei Liu. "Dit is van cruciaal belang voor het berekenen van ons wereldwijde koolstofbudget en het begrijpen van klimaatverandering."

Rivieren die ademen

Recent onderzoek aan de Yale University, gepubliceerd in het tijdschrift Natuur , heeft ontdekt dat rivieren aanzienlijke hoeveelheden CO2 aan de atmosfeer bijdragen - tot een kwart zoveel CO2 als wordt uitgestoten door verbranding van fossiele brandstoffen en verandering in landgebruik. Dit is een verbazingwekkend bedrag, gezien het relatief kleine landoppervlak dat rivieren innemen.

Om dit fenomeen beter te begrijpen, wetenschappers hebben een betere manier nodig om te kwantificeren hoeveel CO2-rivieren daadwerkelijk produceren.

In samenwerking met de Universiteit van Texas in Austin (UT) en het Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), Liu's lab werkt momenteel aan dit probleem door een model te maken dat de beweging van koolstof uit rivierwater naar het sediment van de oevers en bedding van de rivier kan simuleren. en vice versa. Deze beweging is belangrijk omdat de meeste rivier-CO2 wordt gecreëerd wanneer koolstof in riviersediment sijpelt en CO2-producerende chemische reacties voedt.

Koolstof stroomt door rivieren en via vele natuurlijke processen in het sediment. Rivieren voeren vaak organische materialen, zoals afval van planten, die kunnen ontbinden en CO2 kunnen uitstoten.

Hoewel er enkele modellen van koolstofstroom in rivieren bestaan, Liu's model is het eerste dat rekening houdt met het feit dat water zowel in als uit riviersediment stroomt.

"De meeste modellen simuleren de beweging van watergedragen entiteiten in het sediment, maar niet andersom "zei Liu. "In feite, het is tweerichtingsverkeer, omdat water zowel in het sediment sijpelt als eruit stroomt. Om een ​​echt nauwkeurig model te maken, je moet deze dynamische beweging nabootsen."

De complexe algoritmen die Liu gebruikt om dit model te maken, vereisen enorme rekenkracht. Liu vertrouwt op computerkernen geleverd door ICS-ACI, De hoogwaardige onderzoekscloud van Penn State.

Liu's partner aan de UT gaat fysieke experimenten uitvoeren in een goot van 5 meter lang, een kunstmatig waterkanaal bedoeld om het gedrag van een riviergedeelte na te bootsen. Deze experimenten zullen gegevens opleveren die Liu nodig heeft om zijn model te verfijnen.

Nadat het model op kleine schaal is gekalibreerd, Liu's PNNL-partners zullen het op een veel grotere schaal testen - een twee kilometer lang stuk van de Columbia-rivier in de Pacific Northwest.

Het opgeschaalde model stelt onderzoekers in staat om de impact van rivieren op de wereldwijde koolstofemissies beter te begrijpen.

"Het probleem dat we aanpakken, vereist een team van experts met verschillende vaardigheden, " zei Liu. "Het is opwindend om de computationele modelleringsexpertise aan deze samenwerking te leveren."

Liu hoopt dat zijn model niet alleen zal worden gebruikt om de koolstofemissies van rivieren te kwantificeren, maar ook om de verspreiding van rivierverontreinigende stoffen te begrijpen.

"Het model is zeer flexibel, " zei Liu. "We gebruiken het om koolstof te simuleren, maar met een paar veranderingen kan het veel verontreinigingen in de rivier modelleren."

Dit project wordt gefinancierd door het Department of Energy (DoE), die PNNL draait. Liu gelooft dat de DoE het model uiteindelijk zal gebruiken bij pogingen om de vervuiling in de Columbia-rivier op te ruimen, waarvan delen verontreinigd zijn met nucleair afval.

Een kronkelende reis

Hoewel Liu's werk zal worden gebruikt om het milieu te beschermen, hij begon zijn carrière niet als milieuonderzoeker. In plaats daarvan, als student, hij studeerde de bouw van hydro-elektrische dammen.

Maar op de middelbare school, hij verlegde zijn focus naar hoe dammen en andere door mensen gemaakte systemen het milieu beïnvloeden, het behalen van een masterdiploma in milieuwetenschappen.

"Ingenieurs bouwden in die tijd dammen zonder al te veel na te denken over de gevolgen voor het milieu, "zei Liu. "Maar geleidelijk aan, de samenleving besefte dat deze dammen onbedoelde gevolgen hadden in rivieren. Naarmate het bewustzijn groeide, Ik raakte meer geïnteresseerd in de effecten van dammen en de negatieve impact die ze kunnen hebben."

Liu's reis nam toen een andere wending. Na het behalen van zijn eerste masterdiploma, hij volgde nog een master in toegepaste wiskunde.

"De meeste van onze rekenmodellen zijn gebaseerd op het oplossen van differentiaalvergelijkingen, " zei Liu. "Ik wist dat ik deze modellen wilde gebruiken om de dynamiek van rivieren te begrijpen, maar ik moest eerst een diep begrip van de vergelijkingen hebben."

Door wiskunde te studeren, kreeg Liu de expertise die hij nodig had om zijn doctoraat in civiele techniek voort te zetten. Zijn doctoraatsstudies waren gericht op de computationele modellering van vloeistoffen.

Liu's vaardigheden vinden veel toepassingen. Naast het ontwikkelen van modellen voor het koolstofrespiratieproject, hij heeft ook gewerkt aan onderwerpen variërend van het onderzoeken van waterverontreiniging veroorzaakt door hydrofracturering (fracking) tot het helpen oplossen van gevaren van niet-ontplofte munitie onder water. Hij werkt zelfs aan een project om vissen te helpen gemakkelijker door de Susquehanna-rivier te navigeren.

"Er zijn veel belangrijke en interessante vragen die ik zou willen beantwoorden, " zei Liu. "Een groot probleem is de kwestie van schaal. We kunnen goede modellen maken van wat er in een kleine ruimte in een rivier gebeurt. Maar hoe kunnen we het model nauwkeurig maken bij het simuleren van vele mijlen rivier, zonder zo complex te worden dat het te rekenintensief is om te draaien?

"Tijdschaal is lastig, te. Huidige modellen kunnen ons vertellen wat er over een paar uur of dagen kan gebeuren. Maar we moeten ook dingen voorspellen die zich tientallen jaren in de toekomst kunnen voordoen. Het overbruggen van deze schalen is een grote uitdaging."

Hoewel deze uitdagingen ontmoedigend zijn, Liu staat te popelen om ze op te nemen. Hij wordt gemotiveerd door een gevoel van hoe belangrijk het behoud van onze waterwegen is voor de samenleving.

"Dit beroep is oud, maar van eeuwig belang voor de beschaving, "zei Liu. "Zonder water, waar zouden we zijn?"