Flödar mot renare floder

Report on ESP / Cops and Robbers / The Legend of Jimmy Blue Eyes (Maj 2019).

Anonim

Vad ser en flodforskare ut? Frågan kan framkalla bilder av personer som lutar sig över båtens sidor för att samla vattenprover eller stående i virvlande strömmar med stora nät för att fånga skräp, bröstkorgsvadar nästan helt nedsänkt.

Du föreställer nog inte någon som sitter vid en dator, skriver kod och utformar komplexa algoritmer. Men det här är hur Xiaofeng Liu, en biträdande professor i civil- och miljöteknik vid Penn State och en samarbetsinstitut för CyberScience (ICS), studerar floder: genom att modellera dem datoriserat.

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

"Vi arbetar för närvarande med ett projekt för att kvantifiera hur mycket koldioxid (floder) avger ut i atmosfären, " sade Liu. "Det här är avgörande för att beräkna vår globala koldioxidbudget och förstå klimatförändringen."

Floder som andas

Nyare forskning vid Yale University, publicerad i tidskriften Nature, har visat att floder bidrar med betydande mängder CO2 till atmosfären - upp till ett kvartal så mycket CO2 som utsläpps av fossila bränslen och förändring av markanvändningen. Detta är en förvånande mängd, med tanke på det relativt lilla markområdet som floder upptar.

För att bättre förstå detta fenomen behöver forskare 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) arbetar Liu's lab för närvarande med detta problem genom att skapa en modell som kan simulera kolens rörelse från flodvatten till sedimentet vid flodens banker och säng och vice versa. Denna rörelse är viktig eftersom de flesta flodkoldioxid bildas när kol simmar i flodsediment och bränner CO2-producerande kemiska reaktioner.

Koldioxid strömmar genom floder och in i sediment genom många naturliga processer. Floder bär ofta organiska material, som skräp från växter, som kan sönderdela och avge CO2.

Även om det finns några modeller av flodkolflöde, är Liu's modell den första som tar hänsyn till det faktum att vatten passerar både in och ut ur flodsediment.

"De flesta modeller simulerar rörelsen av vattenburna enheter i sedimentet, men inte tvärtom, " sade Liu. "Det är faktiskt en tvåvägs gata, för att vatten sjunker in i sedimentet och rinner ut ur det. För att kunna skapa en riktigt exakt modell måste du simulera denna dynamiska rörelse."

De komplexa algoritmerna Liu använder för att skapa denna modell kräver massiv beräkningskraft. Liu är beroende av datorkärnor som tillhandahålls av ICS-ACI, Penn States högpresterande forskningsmoln.

Liu's partner vid UT kommer att driva fysiska experiment i en 5 meter flume, en konstgjord vattenkanal som är avsedd att emulera beteendet hos en flodsektion. Dessa experiment kommer att ge data Liu behöver förfina sin modell.

När modellen är kalibrerad i liten skala, kommer Liu's PNNL-partner att testa den på en mycket större skala - en två kilometer lång sträcka av Columbia River i Stillahavsområdet.

Den uppskalade modellen kommer att göra det möjligt för forskare att bättre förstå effekterna av floder på globala koldioxidutsläpp.

"Det problem vi hanterar kräver ett team av experter med olika färdigheter, " sa Liu. "Det är spännande att ge beräkningen av beräkningsmodellering för detta samarbete."

Liu hoppas att hans modell kommer att användas inte bara 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 förändringar kan det modellera många föroreningar i floden."

Detta projekt finansieras av Institutionen för Energi (DoE), som driver PNNL. Liu tror att DoE kommer att använda modellen i slutändan i ansträngningar för att rensa föroreningar i Columbia River, varav delar är förorenade med kärnavfall.

En svängande resa

Trots att Lius arbete kommer att användas för att skydda miljön, började han inte sin karriär som miljöforskare. Istället studerade han som en grundutbildning vattenkraftiga dammar.

Men på grundskolan skiftade han fokus på hur dammar och andra mänskliga system påverkar miljön och tjänar en magisterexamen inom miljövetenskap.

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

Liu tog sedan en annan tur. Efter att ha tjänat sin första magisterexamen, efterföljde han en annan mästare i tillämpad matematik.

"De flesta av våra beräkningsmodeller bygger på att lösa differentialekvationer, säger Liu. "Jag visste att jag ville använda dessa modeller för att förstå flodernas dynamik, men jag behövde förstå ekvationerna först."

Han studerade matematik gav Liu den expertis han behövde för att fortsätta sin doktorsexamen i civilingenjör. Hans doktorandstudier fokuserade på beräkningsmodellering av vätskor.

Liu kompetens är att hitta många användningsområden. Förutom att utveckla modeller för CO2-respirationsprojektet har han också arbetat med ämnen som sträcker sig från att undersöka vattenförorening som orsakas av hydraulisk frakturering (fracking) för att hjälpa till med att eliminera risker från undervattens oexploserade ammunition. Han jobbar även med ett projekt som hjälper fisken att lättare navigera i Susquehanna River.

"Det finns många viktiga och intressanta frågor där ute som jag skulle vilja svara, " sa Liu. "Ett stort problem är problemet med skalan. Vi kan göra bra modeller av vad som händer i en flod i ett litet utrymme. Men hur kan vi göra modellen noggrann när vi simulerar många miles av floden utan att bli så komplex att den är för beräkningsintensiv att springa?

"Tidskalan är svår också. Nuvarande modeller kan berätta vad som kan hända under ett par timmar eller dagar. Men vi måste också förutsäga saker som kan inträffa årtionden in i framtiden. Att överbrygga dessa vågar är en stor utmaning."

Även om dessa utmaningar är skrämmande, är Liu angelägen att ta dem på. Han motiveras av en känsla av hur kritisk bevarande av våra vattendrag är för samhället.

"Detta yrke är gammalt men har evigt betydelse för civilisationen", sade Liu. "Utan vatten, var skulle vi vara?"

menu
menu