Che aspetto ha un ricercatore fluviale? La domanda può evocare immagini di persone che si sporgono dai lati delle barche per raccogliere campioni d'acqua o in piedi in correnti vorticose con grandi reti per raccogliere detriti, trampolieri alti fino al petto quasi interamente sommersi.

Probabilmente non stai immaginando qualcuno seduto al computer, scrivere codice e ideare algoritmi complessi. Eppure è così che Xiaofeng Liu, un assistente professore di ingegneria civile e ambientale presso la Penn State e un co-assunzione di un Institute for CyberScience (ICS), studia i fiumi:modellandoli computazionalmente.

Liu è esperta nella creazione di modelli computerizzati di fluidi, e applica le sue abilità per prevedere come l'acqua - e i materiali sospesi o disciolti nell'acqua - scorrono nei fiumi. Questo lavoro ha importanti implicazioni per gli studi ambientali.

"Stiamo attualmente lavorando a un progetto per quantificare la quantità di anidride carbonica (CO2) emessa dai fiumi nell'atmosfera, " ha detto Liu. "Questo è fondamentale per calcolare il nostro bilancio globale del carbonio e comprendere il cambiamento climatico".

Fiumi che respirano

Recenti ricerche presso la Yale University, pubblicato sulla rivista Natura , ha scoperto che i fiumi contribuiscono con quantità significative di CO2 all'atmosfera, fino a un quarto di quella emessa dalla combustione di combustibili fossili e dai cambiamenti nell'uso del suolo. Questa è una quantità sorprendente, data la superficie relativamente piccola occupata dai fiumi.

Per comprendere meglio questo fenomeno, gli scienziati hanno bisogno di un modo migliore per quantificare la quantità di CO2 prodotta effettivamente dai fiumi.

In collaborazione con l'Università del Texas ad Austin (UT) e il Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), Il laboratorio di Liu sta attualmente lavorando su questo problema creando un modello in grado di simulare il movimento del carbonio dall'acqua del fiume nel sedimento delle rive e del letto del fiume, e viceversa. Questo movimento è importante perché la maggior parte della CO2 fluviale viene creata quando il carbonio penetra nei sedimenti fluviali e alimenta le reazioni chimiche che producono CO2.

Il carbonio scorre attraverso i fiumi e nei sedimenti attraverso molti processi naturali. I fiumi spesso trasportano materiali organici, come detriti di piante, che può decomporsi ed emettere CO2.

Sebbene esistano alcuni modelli di flusso di carbonio fluviale, Il modello di Liu è il primo a spiegare il fatto che l'acqua passa sia dentro che fuori dai sedimenti fluviali.

"La maggior parte dei modelli simula il movimento di entità trasportate dall'acqua nel sedimento, ma non il contrario, " disse Liu. "In effetti, è una strada a doppio senso, perché l'acqua penetra nel sedimento e ne esce. Per realizzare un modello veramente accurato, devi simulare questo movimento dinamico."

I complessi algoritmi utilizzati da Liu per creare questo modello richiedono un'enorme potenza di calcolo. Liu si affida ai core del computer forniti da ICS-ACI, Il cloud di ricerca ad alte prestazioni di Penn State.

Il partner di Liu all'UT eseguirà esperimenti fisici in un canale di 5 metri, un canale d'acqua artificiale pensato per emulare il comportamento di una sezione fluviale. Questi esperimenti forniranno i dati di cui Liu ha bisogno per perfezionare il suo modello.

Una volta che il modello è calibrato su piccola scala, I partner PNNL di Liu lo testeranno su una scala molto più ampia:un tratto di due chilometri del fiume Columbia nel nord-ovest del Pacifico.

Il modello ingrandito consentirà ai ricercatori di comprendere meglio l'impatto dei fiumi sulle emissioni globali di carbonio.

"Il problema che stiamo affrontando richiede un team di esperti con diverse competenze, " ha affermato Liu. "È entusiasmante fornire l'esperienza di modellazione computazionale a questa collaborazione".

Liu spera che il suo modello venga utilizzato non solo per quantificare le emissioni di carbonio dai fiumi, ma anche per comprendere la diffusione degli inquinanti fluviali.

"Il modello è molto flessibile, " ha detto Liu. "Lo stiamo usando per simulare il carbonio, ma con poche modifiche può modellare molti contaminanti nel fiume."

Questo progetto è finanziato dal Dipartimento dell'Energia (DoE), che gestisce PNNL. Liu crede che il DoE utilizzerà il modello per ripulire l'inquinamento nel fiume Columbia, parti delle quali sono contaminate da scorie nucleari.

Un viaggio tortuoso

Sebbene il lavoro di Liu sarà utilizzato per proteggere l'ambiente, non ha iniziato la sua carriera come ricercatore ambientale. Anziché, come studente universitario, ha studiato costruzione di dighe idroelettriche.

Ma alla scuola di specializzazione, ha spostato la sua attenzione su come le dighe e altri sistemi creati dall'uomo influenzano l'ambiente, conseguire un master in scienze ambientali.

"Gli ingegneri dell'epoca costruivano dighe senza pensare troppo agli impatti ambientali, " disse Liu. "Ma gradualmente, la società si rese conto che queste dighe stavano causando conseguenze indesiderate nei fiumi. Man mano che la consapevolezza cresceva, Mi sono interessato di più agli effetti delle dighe e all'impatto negativo che possono creare".

Il viaggio di Liu ha poi preso un'altra piega. Dopo aver conseguito la prima laurea magistrale, ha conseguito un altro master in matematica applicata.

"La maggior parte dei nostri modelli computazionali si basa sulla risoluzione di equazioni differenziali, " ha detto Liu. "Sapevo che volevo usare questi modelli per capire la dinamica dei fiumi, ma prima avevo bisogno di una profonda comprensione delle equazioni."

Lo studio della matematica ha dato a Liu l'esperienza di cui aveva bisogno per perseguire il suo dottorato in ingegneria civile. I suoi studi di dottorato si sono concentrati sulla modellazione computazionale dei fluidi.

Le abilità di Liu stanno trovando molti usi. Oltre a sviluppare modelli per il progetto di respirazione del carbonio, ha anche lavorato su argomenti che spaziano dall'indagine sull'inquinamento idrico causato dalla fratturazione idraulica (fracking) all'aiuto alla bonifica dei pericoli derivanti dalle munizioni inesplose subacquee. Sta persino lavorando a un progetto per aiutare i pesci a navigare più facilmente nel fiume Susquehanna.

"Ci sono molte domande importanti e interessanti là fuori a cui vorrei rispondere, " ha detto Liu. "Un grosso problema è la questione della scala. Possiamo fare buoni modelli di ciò che accade in un fiume in un piccolo spazio. Ma come possiamo rendere accurato il modello durante la simulazione di molte miglia di fiume, senza diventare così complesso da essere troppo impegnativo dal punto di vista computazionale per essere eseguito?

"La scala temporale è complicata, pure. I modelli attuali possono dirci cosa potrebbe accadere in un paio d'ore o giorni. Ma dobbiamo anche prevedere cose che potrebbero accadere decenni nel futuro. Colmare queste scale è una grande sfida".

Sebbene queste sfide siano scoraggianti, Liu è ansioso di affrontarli. È motivato dal senso di quanto sia fondamentale preservare i nostri corsi d'acqua per la società.

"Questa professione è antica ma ha un'importanza perpetua per la civiltà, " disse Liu. "Senza acqua, dove saremmo?"