Ett otroligt komplext system lever under våra fötter, transporterar metaller till jordskorpan och genomgår en myriad av kemiska reaktioner som påverkar vårt dagliga liv. Dessa miljöinteraktioner påverkar allt från vår förmåga att använda jord för att producera mat och renheten i vårt dricksvatten till hur vi kan mildra vårt föränderliga klimat. Människor har en enorm inverkan på jordens underyta - genom gruvdrift, utvinning av fossila bränslen, bevattning och lagring av energiavfall — och vi måste ta itu med de miljöproblem som uppstår. Och ändå, vi kan inte se det.

Att nästan titta ner i marken, många forskare använder komplexa modelleringsmetoder som tar hänsyn till faktorer som interaktioner mellan mikroorganismer och hur växter absorberar och returnerar vatten och näringsämnen. Dessa biogeokemiska tillvägagångssätt – väsentliga verktyg för geovetenskaper och andra områden – är brödet för forskning av Kate Maher, en docent i jordsystemvetenskap vid Stanford's School of Earth, Energi- och miljövetenskaper (Stanford Earth).

I denna Q&A, Maher förklarar hur moderna forskare gör det osynliga synligt när de undersöker processerna som transporterar föroreningar och formar jordens yta. Att göra detta, de använder modellering och visualiseringar som innehåller de senaste matematiska teknikerna, avkänningsteknik och enorma mängder data. Maher medredigerade det aktuella specialnumret av Elements Magazine , med titeln "Reactive Transport Modeling, " som ger en mer djupgående titt på detta område.

Vad är reaktiv transportmodellering?

Det mesta av vattnet vi dricker tillbringar en betydande del av sitt liv som grundvatten. När vatten rinner genom marken, det interagerar med komplexa mineralytor, organiskt material och mikroorganismer som i slutändan kan påverka hur näringsämnen och föroreningar transporteras genom miljösystem. Grundvattensystem sträcker sig från meter till kilometer under ytan, och därför är modeller det enda verktyg vi har för att studera vattnets osynliga liv.

Reaktiva transportmodeller (RTM) är avancerade algoritmer som kombinerar beskrivningar av vätskeflöde, transportprocesser och biogeokemiska reaktioner för att beräkna förändringar i lösta ämnen, mineraler och till och med mikrobiella samhällen över rum och tid. Modellerna har byggts upp under decennier för att kontinuerligt införliva toppmoderna beskrivningar av såväl transportprocesser som biogeokemin. På något vis, de är ett bibliotek som innehåller vår kunskap om allt från grundvattenflödets fysik till detaljerna i mikrobiella metabolismer.

Reaktionerna och transporten måste beräknas tillsammans eftersom de ofta samverkar starkt, och detta är särskilt viktigt för system som har påverkats av mänsklig aktivitet. Till exempel, på många platser som påverkas av grundvattenföroreningar, en vanlig metod för att rensa upp vattnet är att injicera organiskt kol för att orsaka en reaktion i mikroorganismerna. Men försöket kan misslyckas om det finns för mycket mikrobiell tillväxt nära brunnen, täpper igen porutrymmet. Genom att använda modeller för att simulera en saneringsstrategi, forskare på dessa platser kan utforma bättre strategier för att städa upp vattnet.

Förmågan att modellera processer över långa tidsskalor, eller till och med tusentals till miljoner år, är en annan nyckelfunktion hos RTM. Dessa modeller har hjälpt oss att förstå hastigheten med vilken stenar löses upp för att bilda jordar, eller komponenterna i kemisk vittring – från växternas och mikroorganismernas roll för att lösa upp mineraler till den hastighet med vilken koldioxid i regnvatten omvandlas till bikarbonat, en nyckelprocess i den långsiktiga kolcykeln som styr vår atmosfär.

Vilka är några tillämpningar av reaktiv transportmodellering?

De flesta av landskapen vi ser omkring oss innehåller ett arv från det förflutna som kan vara avgörande för att förstå de mänskligt drivna eller naturliga störningar som inträffar idag och in i framtiden. Ibland upptäcker geoforskare förbryllande signaler i gamla stenar och vill veta vad de kan berätta om jordens miljöer för miljoner till miljarder år i det förflutna. Med tanke på behovet av att spänna över en mångfald av tidsskalor och processer, reaktiv transport har hittat sin väg till nästan varje enskilt område inom geovetenskaperna och vi ger några exempel i vår inledande artikel, följt av sex andra aktuella artiklar.

Lagring av kärnavfall har varit en mycket viktig tillämpning, med tanke på behovet av att förutsäga stabiliteten hos olika avfallsförpackningar under hundratusentals år under okända framtida klimatscenarier. Grundvattenförorening har varit ett annat nyckelområde. Miljösaneringsstrategier, särskilt de som involverar mikroorganismer eller andra tekniska ingrepp, måste simuleras och förstås för varje plats innan de distribueras. På förorenade platser, RTM:er används både som verktyg för att avgränsa saneringsstrategier och för att utveckla regulatoriska riktlinjer. Ett viktigt exempel har varit användningen av modeller för att förstå arsenikkontamination på platser runt om i världen. Till sist, geologisk kollagring, som involverar injektion av enorma mängder koldioxid i djupa geologiska lager, har varit ett annat område där modeller används för att uppskatta hur mycket av koldioxiden som löser sig i grundvattnet och hur mycket som kan bli olösligt, och därför mer permanent sekvestrerad.

Hur kan dessa tekniker informera vår förståelse av klimatförändringar eller uppnående av klimatlösningar?

Människor injicerar kol i havs-atmosfärsystemet i en takt som är cirka 70 gånger jordens kapacitet att binda det. Jorden binder kol genom en sekvens av reaktioner som involverar upplösning av mineraler i jordar följt av utfällning av kalksten i haven. En nyckelfråga är:Hur kan vi härma denna naturliga process för att säkert lagra koldioxiden som vi släpper ut? I vissa stenar, koldioxiden kommer aldrig att bilda mineraler och den kommer alltid att ha potential att migrera till dricksvattenförsörjningen eller tillbaka till atmosfären.

Jordar är ett annat nyckelområde. Markens kol är den största reservoaren av kol vid eller nära jordens yta och därför är den särskilt känslig för förändringar i markanvändningen, samt förändringar i temperatur och markfuktighet i samband med klimatförändringar. Många av de nuvarande jordsystemsmodellerna som används för att förutsäga kolets kretslopp in i framtiden – inklusive de som används av Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) – innehåller föråldrade beskrivningar av markens kolomvandlingar och ingen explicit behandling av mikroorganismer. För att lösa detta problem, forskare som använder RTM är aktivt engagerade i att hitta sätt att förbättra representationen av markkol i jordsystemmodeller. Detta kan sträcka sig från effekten av torka på mikroorganismer till den roll som jordmineraler spelar för att binda kol. Det slutliga målet är att minska osäkerheten kring markens reaktion på klimatförändringar.

Vad fick dig att ägna dig åt detta område och vilka färdigheter kräver det?

Som grundexamen, Jag har alltid älskat datavetenskap. Dock, efter att ha vuxit upp i bergen i väst, Jag var också djupt oroad över miljön. En av mina första kurser på forskarskolan var i geodynamik, och när jag letar efter ett ämne för min sista uppsats, Jag upptäckte reaktiva transportmodeller och blev helt fascinerad.

Jag skulle säga att den viktigaste färdigheten förmodligen är förmågan att lära av andra. RTM:er bygger på kunskap och expertis från en otroligt mångfald av områden, så att det är väldigt få människor som till fullo kan förstå både den numeriska och konceptuella grunden för modellerna. Det kommer alltid att finnas någon som vet mer om fältplatsens historia, de mikrobiella metabolismerna eller de linjära algebrabiblioteken. Modellerarens jobb är i slutändan att skörda denna information på meningsfulla sätt. Dock, den oändliga potentialen att integrera kunskap mellan forskarsamhällen innebär också att RTM kan vara otroligt kraftfulla plattformar för samarbete.

Jag har lärt mig att en blandning av beslutsamhet, nyfikenhet och tålamod är avgörande. I vår verktygslåda artikel, vi beskriver några av nyckelområdena. En gedigen bakgrund inom programmering och matematik är extremt användbara, eller åtminstone göra det lättare att komma igång. Modellerna är så komplexa att det är lätt att producera resultat som inte är fysiskt vettiga, så förmågan att använda de styrande ekvationerna för massa, momentum och energibesparing för att utveckla begränsande fall är också extremt viktigt.

De flesta av de vanliga RTM:erna byggs och underhålls av forskare från U.S. Department of Energy National Laboratory, vilket innebär att det finns relativt få träningsmöjligheter och att fältet fortfarande är litet, med endast ett fåtal program vid universiteten. Med tanke på den stora potentialen hos dessa modeller, detta är något som forskare som använder RTM försöker ta itu med genom att utveckla innovativa nya möjligheter för utbildning.