Hur ser en flodforskare ut? Frågan kan frammana bilder av människor som lutar sig över sidorna på båtar för att samla vattenprover eller står i virvlande strömmar med stora nät för att fånga skräp, brösthöga vadare nästan helt nedsänkta.

Du föreställer dig förmodligen inte någon som sitter vid en dator, skriva kod och utforma komplexa algoritmer. Ändå är det så här Xiaofeng Liu, en biträdande professor i civil- och miljöteknik vid Penn State och ett Institute for CyberScience (ICS) co-hyra, studerar floder:genom att modellera dem beräkningsmässigt.

Liu är expert på att skapa datormodeller av vätskor, och han tillämpar sina färdigheter på att förutsäga hur vatten – och material suspenderade eller lösta i vatten – flyter i floder. Detta arbete har stora konsekvenser för miljöstudier.

"Vi arbetar för närvarande med ett projekt för att kvantifiera hur mycket koldioxid (CO2) floder släpper ut i atmosfären, ", sa Liu. "Detta är avgörande för att beräkna vår globala koldioxidbudget och förstå klimatförändringarna."

Floder som andas

Ny forskning vid Yale University, publiceras i tidskriften Natur , har funnit att floder bidrar med betydande mängder CO2 till atmosfären – upp till en fjärdedel så mycket CO2 som släpps ut av fossilbränsleförbränning och förändrad markanvändning. Detta är en häpnadsväckande mängd, med tanke på den relativt lilla landyta som floder upptar.

För att bättre förstå detta fenomen, forskare behöver ett bättre sätt att kvantifiera hur mycket CO2 floder faktiskt producerar.

I samarbete med University of Texas i Austin (UT) och Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), Lius labb arbetar för närvarande med detta problem genom att skapa en modell som kan simulera rörelsen av kol från flodvattnet in i sedimentet på flodens banker och bädd, och vice versa. Denna rörelse är viktig eftersom det mesta av flod-CO2 skapas när kol sipprar in i flodsediment och underblåser CO2-producerande kemiska reaktioner.

Kol strömmar genom floder och till sediment genom många naturliga processer. Floder bär ofta organiskt material, som skräp från växter, som kan bryta ner och släppa ut CO2.

Även om vissa modeller av flodens kolflöde finns, Lius modell är den första som redogör för det faktum att vatten passerar både in i och ut ur flodsediment.

"De flesta modeller simulerar rörelsen av vattenburna enheter in i sedimentet, men inte tvärtom, " sa Liu. "Faktiskt, det är en dubbelriktad gata, eftersom vatten sipprar in i sedimentet samt rinner ut ur det. För att göra en riktigt exakt modell, du måste simulera denna dynamiska rörelse."

De komplexa algoritmer Liu använder för att skapa denna modell kräver enorm beräkningskraft. Liu förlitar sig på datorkärnor som tillhandahålls av ICS-ACI, Penn States högpresterande forskningsmoln.

Lius partner vid UT kommer att köra fysiska experiment i en 5-meters ränna, en konstgjord vattenkanal avsedd att efterlikna beteendet hos en flodsektion. Dessa experiment kommer att ge data som Liu behöver för att förfina sin modell.

När modellen väl är kalibrerad i liten skala, Lius PNNL-partner kommer att testa det i mycket större skala - en två kilometer lång sträcka av Columbia River i Pacific Northwest.

Den uppskalade modellen kommer att tillåta forskare att bättre förstå flodernas inverkan på globala koldioxidutsläpp.

"Problemet vi tar itu med kräver ett team av experter med olika kompetenser, " sa Liu. "Det är spännande att tillhandahålla expertis inom beräkningsmodellering till detta samarbete."

Liu hoppas att hans modell inte bara kommer att användas för att kvantifiera koldioxidutsläpp från floder, men också för att förstå spridningen av flodföroreningar.

"Modellen är väldigt flexibel, " sa Liu. "Vi använder det för att simulera kol, men med några få ändringar kan den modellera många föroreningar i floden."

Detta projekt finansieras av Department of Energy (DoE), som kör PNNL. Liu tror att DoE så småningom kommer att använda modellen i försök att städa upp föroreningar i Columbia River, delar som är förorenade med kärnavfall.

En vindlande resa

Även om Lius arbete kommer att användas för att skydda miljön, han började inte sin karriär som miljöforskare. Istället, som student, han studerade att bygga vattenkraftsdammar.

Men i gymnasiet, han flyttade sitt fokus till hur dammar och andra mänskliga system påverkar miljön, ta en magisterexamen i miljövetenskap.

"Ingenjörer på den tiden byggde dammar utan att tänka för mycket på miljöpåverkan, " sa Liu. "Men gradvis, samhället insåg att dessa dammar orsakade oavsiktliga konsekvenser i floder. När medvetenheten växte, Jag blev mer intresserad av effekterna av dammar och den negativa inverkan de kan skapa."

Lius resa tog sedan ytterligare en vändning. Efter att ha tagit sin första magisterexamen, han bedrivit en annan magisterexamen i tillämpad matematik.

"De flesta av våra beräkningsmodeller är baserade på att lösa differentialekvationer, " sa Liu. "Jag visste att jag ville använda dessa modeller för att förstå flodernas dynamik, men jag behövde ha en djup förståelse av ekvationerna först."

Att studera matematik gav Liu den expertis han behövde för att doktorera i civilingenjör. Hans doktorandstudier fokuserade på beräkningsmodellering av vätskor.

Lius färdigheter får många användningsområden. Förutom att utveckla modeller för kolrespirationsprojektet, han har också arbetat med ämnen som sträcker sig från att undersöka vattenföroreningar orsakade av hydraulisk frakturering (fracking) till att hjälpa till att åtgärda faror från oexploderad undervattensmateriel. Han arbetar till och med med ett projekt för att hjälpa fisken att lättare navigera i Susquehannafloden.

"Det finns många viktiga och intressanta frågor där ute som jag skulle vilja svara på, ", sa Liu. "Ett stort problem är frågan om skala. Vi kan göra bra modeller av vad som händer i en flod på ett litet utrymme. Men hur kan vi göra modellen exakt när vi simulerar många mil av floden, utan att bli så komplex att det är för beräkningskrävande att köra?

"Tidsskala är knepig, för. Nuvarande modeller kan berätta för oss vad som kan hända under ett par timmar eller dagar. Men vi måste också förutsäga saker som kan hända decennier in i framtiden. Att överbrygga dessa skalor är en stor utmaning."

Även om dessa utmaningar är skrämmande, Liu är ivrig att ta sig an dem. Han motiveras av en känsla av hur viktigt det är för samhället att bevara våra vattendrag.

"Det här yrket är gammalt men har evig betydelse för civilisationen, " sa Liu. "Utan vatten, var skulle vi vara?"