Un sistema incredibilmente complesso vive sotto i nostri piedi, trasportando metalli sulla crosta terrestre e subendo una miriade di reazioni chimiche che influenzano la nostra vita quotidiana. Queste interazioni ambientali influenzano tutto, dalla nostra capacità di utilizzare il suolo per produrre cibo e la pulizia della nostra acqua potabile a come potremmo mitigare il nostro clima che cambia. Gli esseri umani hanno un enorme impatto sul sottosuolo terrestre, attraverso l'estrazione mineraria, estrazione di combustibili fossili, irrigazione e stoccaggio dei rifiuti energetici, e dobbiamo affrontare i problemi ambientali che ne derivano. E ancora, non possiamo vederlo.

Per scrutare virtualmente nel terreno, molti ricercatori utilizzano approcci di modellazione complessi che tengono conto di fattori come le interazioni tra i microrganismi e il modo in cui le piante assorbono e restituiscono acqua e sostanze nutritive. Questi approcci biogeochimici, strumenti essenziali per le scienze della Terra e altri campi, sono il pane quotidiano della ricerca di Kate Maher, professore associato di scienze del sistema terrestre presso la Stanford's School of Earth, Scienze energetiche e ambientali (Stanford Earth).

In questo Q&A, Maher spiega come gli scienziati moderni rendono visibile l'invisibile mentre studiano i processi che trasportano i contaminanti e modellano la superficie terrestre. Per fare questo, utilizzano modelli e visualizzazioni che incorporano le più recenti tecniche matematiche, tecnologia di rilevamento e enormi quantità di dati. Maher ha co-curato l'attuale numero speciale di Rivista degli elementi , intitolato "Modellazione di trasporto reattivo, " che fornisce uno sguardo più approfondito su questo campo.

Che cos'è la modellizzazione del trasporto reattivo?

La maggior parte dell'acqua che beviamo trascorre una parte considerevole della sua vita come acque sotterranee. Mentre l'acqua scorre nel terreno, interagisce con superfici minerali complesse, materia organica e microrganismi che alla fine possono influenzare il modo in cui i nutrienti e i contaminanti vengono trasportati attraverso i sistemi ambientali. I sistemi di acque sotterranee si estendono da metri a chilometri sotto la superficie, e quindi i modelli sono l'unico strumento che abbiamo per studiare la vita invisibile dell'acqua.

I modelli di trasporto reattivo (RTM) sono algoritmi avanzati che combinano descrizioni del flusso di fluidi, processi di trasporto e reazioni biogeochimiche per calcolare le variazioni dei soluti, minerali e persino comunità microbiche nello spazio e nel tempo. I modelli sono stati costruiti nel corso di decenni per incorporare continuamente descrizioni all'avanguardia dei processi di trasporto e della biogeochimica. In un certo senso, sono una biblioteca che contiene la nostra conoscenza di tutto, dalla fisica del flusso delle acque sotterranee ai dettagli del metabolismo microbico.

Le reazioni e il trasporto devono essere calcolati insieme perché spesso interagiscono fortemente, e questo è particolarmente importante per i sistemi che sono stati colpiti dall'attività umana. Per esempio, in molti siti interessati dalla contaminazione delle acque sotterranee, un metodo comune per ripulire l'acqua è iniettare carbonio organico per provocare una reazione nei microrganismi. Ma il tentativo potrebbe fallire se c'è troppa crescita microbica vicino al pozzo, ostruendo lo spazio dei pori. Utilizzando modelli per simulare una strategia di pulizia, gli scienziati di questi siti possono progettare strategie migliori per ripulire l'acqua.

La capacità di modellare i processi su scale temporali lunghe, o anche migliaia o milioni di anni, è un'altra caratteristica fondamentale degli RTM. Questi modelli ci hanno aiutato a capire la velocità con cui le rocce si dissolvono per formare suoli, o i componenti dell'erosione chimica, dal ruolo delle piante e dei microrganismi nella dissoluzione dei minerali alla velocità con cui l'anidride carbonica nell'acqua piovana viene convertita in bicarbonato, un processo chiave nel ciclo del carbonio a lungo termine che controlla la nostra atmosfera.

Quali sono alcune applicazioni della modellazione del trasporto reattivo?

La maggior parte dei paesaggi che vediamo intorno a noi contiene un'eredità del passato che può essere fondamentale per comprendere le perturbazioni provocate dall'uomo o naturali che si verificano oggi e nel futuro. A volte i geoscienziati scoprono segnali sconcertanti nelle rocce antiche e vogliono sapere cosa potrebbero dirci sugli ambienti della Terra da milioni a miliardi di anni nel passato. Data la necessità di abbracciare una vasta gamma di scale temporali e processi, il trasporto reattivo ha trovato la sua strada in quasi ogni singolo campo delle geoscienze e diamo alcuni esempi nel nostro articolo introduttivo, seguito da altri sei articoli di attualità.

Lo stoccaggio delle scorie nucleari è stata un'applicazione molto importante, data la necessità di prevedere la stabilità di vari imballaggi di rifiuti per centinaia di migliaia di anni in scenari climatici futuri sconosciuti. La contaminazione delle acque sotterranee è stata un'altra area chiave. Strategie di pulizia ambientale, specialmente quelli che coinvolgono microrganismi o altri interventi ingegneristici, devono essere simulate e comprese per ogni sito prima di essere implementate. Nei siti contaminati, Gli RTM sono utilizzati sia come strumenti per definire strategie di pulizia sia per sviluppare linee guida normative. Un esempio importante è stato l'uso di modelli per comprendere la contaminazione da arsenico nei siti di tutto il mondo. Finalmente, stoccaggio geologico del carbonio, che comporta l'iniezione di enormi quantità di anidride carbonica in strati geologici profondi, è stata un'altra area in cui i modelli vengono utilizzati per stimare quanto dell'anidride carbonica si dissolve nelle acque sotterranee e quanto potrebbe diventare insolubile, e quindi più permanentemente sequestrati.

In che modo queste tecniche possono informare la nostra comprensione del cambiamento climatico o il raggiungimento di soluzioni climatiche?

Gli esseri umani stanno iniettando carbonio nel sistema oceano-atmosfera a una velocità che è circa 70 volte la capacità della Terra di sequestrarlo. La Terra sequestra il carbonio attraverso una sequenza di reazioni che comportano la dissoluzione dei minerali nei suoli seguita dalla precipitazione del calcare negli oceani. Una domanda chiave è:come possiamo imitare questo processo naturale per immagazzinare in sicurezza l'anidride carbonica che emettiamo? In alcune rocce, l'anidride carbonica non formerà mai minerali e avrà sempre il potenziale per migrare nelle riserve di acqua potabile o tornare nell'atmosfera.

I suoli sono un'altra area chiave. Il carbonio nel suolo è il più grande serbatoio di carbonio in corrispondenza o in prossimità della superficie terrestre ed è quindi particolarmente sensibile ai cambiamenti nell'uso del suolo, nonché alle variazioni di temperatura e umidità del suolo associate ai cambiamenti climatici. Molti degli attuali modelli dei sistemi terrestri utilizzati per prevedere il ciclo del carbonio nel futuro, compresi quelli utilizzati dall'Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), contengono descrizioni obsolete delle trasformazioni del carbonio nel suolo e nessun trattamento esplicito dei microrganismi. Per affrontare questo problema, gli scienziati che utilizzano gli RTM sono attivamente impegnati nella ricerca di modi per migliorare la rappresentazione del carbonio nel suolo nei modelli del sistema Terra. Ciò può variare dall'effetto della siccità sui microrganismi al ruolo che i minerali del suolo svolgono nel sequestro del carbonio. L'obiettivo finale è ridurre l'incertezza che circonda la risposta dei suoli ai cambiamenti climatici.

Cosa ti ha spinto a perseguire questo campo e quali competenze richiede?

Come studente universitario, Ho sempre amato l'informatica. Però, essendo cresciuto tra le montagne dell'ovest, Ero anche profondamente preoccupato per l'ambiente. Uno dei miei primi corsi alla scuola di specializzazione è stato in geodinamica, e nel cercare un argomento per il mio lavoro finale, Ho scoperto i modelli di trasporto reattivo e ne sono rimasto completamente affascinato.

Direi che l'abilità più importante è probabilmente la capacità di imparare dagli altri. Gli RTM attingono alla conoscenza e all'esperienza di una gamma incredibilmente diversificata di campi, tale che ci sono pochissime persone che possono comprendere appieno sia le basi numeriche che concettuali dei modelli. Ci sarà sempre qualcuno che ne sa di più sulla storia del cantiere, i metabolici microbici o le librerie di algebra lineare. Il lavoro del modellatore è in definitiva quello di raccogliere queste informazioni in modi significativi. Però, il potenziale infinito di integrare le conoscenze tra le comunità scientifiche significa anche che le RTM possono essere piattaforme incredibilmente potenti per la collaborazione.

Ho imparato che una miscela di determinazione, la curiosità e la pazienza sono fondamentali. Nel nostro articolo sul toolkit, delineiamo alcune delle aree chiave. Un solido background in programmazione e matematica è estremamente utile, o almeno rendere più facile iniziare. I modelli sono così complessi che è facile produrre risultati che non hanno senso fisico, quindi la capacità di usare le equazioni di governo per la massa, anche la conservazione della quantità di moto e dell'energia per sviluppare casi limite è estremamente importante.

La maggior parte degli RTM tradizionali sono costruiti e gestiti da scienziati del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti National Laboratory, il che significa che ci sono relativamente poche opportunità di formazione e il campo è ancora piccolo, con solo pochi programmi nelle università. Dato il vasto potenziale di questi modelli, questo è qualcosa che gli scienziati che utilizzano le RTM stanno cercando di affrontare sviluppando nuove opportunità innovative per l'istruzione.