|
在我們腳下有著一個(gè)極其復(fù)雜的系統(tǒng)，它將金屬運(yùn)送到地殼，并經(jīng)歷著無(wú)數(shù)影響日常生活的化學(xué)反應(yīng)。這些環(huán)境相互作用影響著一切，從利用土壤生產(chǎn)食物的能力，到飲用水的清潔程度，再到如何減緩氣候變化。人類對(duì)地球地下環(huán)境有著巨大的影響（通過(guò)采礦、化石燃料開(kāi)采、灌溉和能源廢料儲(chǔ)存等）人類必須應(yīng)對(duì)隨之而來(lái)的環(huán)境問(wèn)題，然而，我們卻看不到它。 為了深入研究土壤，許多研究人員使用復(fù)雜的建模方法，來(lái)解釋微生物之間的相互作用以及植物如何吸收和返回水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等因素。這些生物地球化學(xué)方法（地球科學(xué)和其他領(lǐng)域的基本工具）是斯坦福大學(xué)地球、能源和環(huán)境科學(xué)學(xué)院(Stanford Earth)地球系統(tǒng)科學(xué)副教授凱特·馬赫(Kate Maher)研究的主要內(nèi)容。Maher解釋了現(xiàn)代科學(xué)家在研究污染物運(yùn)輸和塑造地球表面的過(guò)程中，是如何將無(wú)形變?yōu)橛行蔚摹?/p> 什么是反應(yīng)性傳輸建模？為了做到這一點(diǎn)，使用建模和可視化，結(jié)合了最新數(shù)學(xué)技術(shù)、傳感技術(shù)和大量數(shù)據(jù)。地球生命包括人類喝的大部分水有相當(dāng)一部分是作為地下水度過(guò)的。當(dāng)水流經(jīng)地面時(shí)，與復(fù)雜的礦物表面、有機(jī)物和微生物相互作用，最終影響營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和污染物如何通過(guò)環(huán)境系統(tǒng)運(yùn)輸。地下水系統(tǒng)從地表下幾米延伸到幾公里，因此模型是研究無(wú)形水的唯一工具。反應(yīng)遷移模型(RTMs)是一種先進(jìn)的算法，它結(jié)合了對(duì)流體流動(dòng)、遷移過(guò)程和生物地球化學(xué)反應(yīng)的描述。 以計(jì)算溶質(zhì)、礦物甚至微生物群落在空間和時(shí)間上的變化。這些模型已經(jīng)建立了幾十年，以不斷納入最先進(jìn)的描述運(yùn)輸過(guò)程以及生物地球化學(xué)。從某種意義上說(shuō)，它們是一個(gè)圖書(shū)館，包含了很多知識(shí)，從地下水流動(dòng)的物理學(xué)到微生物代謝的細(xì)節(jié)。反應(yīng)和傳輸必須同時(shí)計(jì)算，因?yàn)樗鼈兘?jīng)常強(qiáng)烈地相互作用，這對(duì)于受人類活動(dòng)影響的系統(tǒng)尤其重要。例如，在許多受地下水污染影響的地點(diǎn)，一種常用的凈水方法是注入有機(jī)碳，使微生物發(fā)生反應(yīng)。 但如果油井附近有太多的微生物生長(zhǎng)，堵塞了孔隙空間，這種嘗試可能會(huì)失敗。通過(guò)使用模型來(lái)模擬清理策略，這些站點(diǎn)的科學(xué)家可以設(shè)計(jì)出更好的策略來(lái)清理水。反應(yīng)遷移模型的另一個(gè)關(guān)鍵特性是能夠在很長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)(甚至是數(shù)千年到數(shù)百萬(wàn)年)對(duì)流程進(jìn)行建模。這些模型幫助我們了解巖石溶解形成土壤的速度，或化學(xué)氣候成分——從植物和微生物在溶解礦物質(zhì)中的作用，到雨水中二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳酸氫鹽的速度，后者是控制大氣長(zhǎng)期碳循環(huán)中的一個(gè)關(guān)鍵過(guò)程。 反應(yīng)性傳輸建模有哪些應(yīng)用？我們周圍看到的大多數(shù)景觀都包含著地球過(guò)去的遺產(chǎn)，這對(duì)于理解今天和未來(lái)發(fā)生的人為驅(qū)動(dòng)或自然干擾至關(guān)重要。有時(shí)，地球科學(xué)家在古代巖石中發(fā)現(xiàn)了令人費(fèi)解的信號(hào)，他們想知道這些信號(hào)可能告訴我們關(guān)于過(guò)去數(shù)百萬(wàn)至數(shù)十億年地球環(huán)境的什么信息。由于需要跨越各種不同的時(shí)間尺度和過(guò)程，反應(yīng)性傳輸幾乎已經(jīng)進(jìn)入地球科學(xué)的每一個(gè)領(lǐng)域。核廢料儲(chǔ)存一直是一項(xiàng)非常重要的應(yīng)用，因?yàn)樾枰A(yù)測(cè)各種廢料包在未來(lái)未知?dú)夂蚯榫跋聰?shù)十萬(wàn)年的穩(wěn)定性。 地下水污染是另一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域，環(huán)境清理策略，特別是那些涉及微生物或其他工程干預(yù)的策略，需要在部署之前對(duì)每個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行模擬和理解。在受污染的現(xiàn)場(chǎng)，反應(yīng)遷移模型被用作確定清理策略范圍和制定監(jiān)管指南的工具。一個(gè)重要的例子是使用模型來(lái)了解世界各地砷污染情況。最后，地質(zhì)碳儲(chǔ)存，包括向深層地質(zhì)層注入大量的二氧化碳，已經(jīng)成為另一個(gè)領(lǐng)域，在那里，模型被用來(lái)估計(jì)有多少二氧化碳溶解在地下水中，又有多少可能成為不溶性的，從而更永久地封存起來(lái)。 這些技術(shù)如何幫助理解氣候變化或?qū)崿F(xiàn)氣候解決方案？人類向海洋大氣系統(tǒng)中注入碳的速度，大約是地球吸收碳能力的70倍。地球通過(guò)一系列的反應(yīng)來(lái)吸收碳，這些反應(yīng)包括土壤中礦物質(zhì)的溶解和海洋中石灰石的沉淀。一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題是：如何才能模擬這個(gè)自然過(guò)程，安全地儲(chǔ)存人類排放的二氧化碳？在一些巖石中，二氧化碳永遠(yuǎn)不會(huì)形成礦物質(zhì)，它總是有可能遷移到飲用水供應(yīng)中或回到大氣中。 土壤是另一個(gè)關(guān)鍵區(qū)域，土壤碳是地球表面或近地表最大的碳庫(kù)。因此對(duì)土地利用變化以及與氣候變化有關(guān)的溫度和土壤濕度變化特別敏感。目前許多用于預(yù)測(cè)未來(lái)碳循環(huán)的地球系統(tǒng)模型（包括政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)(IPCC)使用的模型）都包含了對(duì)土壤碳轉(zhuǎn)化的過(guò)時(shí)描述，而且沒(méi)有對(duì)微生物進(jìn)行明確的處理。為了解決這一問(wèn)題，使用反應(yīng)遷移模型的科學(xué)家們正在積極地尋找，提高土壤碳在地球系統(tǒng)模型中的代表性方法。 這可以從干旱對(duì)微生物的影響到土壤礦物質(zhì)在固碳中的作用，最終目標(biāo)是減少土壤對(duì)氣候變化反應(yīng)的不確定性。大多數(shù)主流反應(yīng)遷移模型都是由美國(guó)能源部國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家建立和維護(hù)，這意味著培訓(xùn)機(jī)會(huì)相對(duì)較少，這個(gè)領(lǐng)域仍然很小，大學(xué)里只有幾個(gè)項(xiàng)目?？紤]到這些模型的巨大潛力，使用反應(yīng)遷移模型（RTMs）的科學(xué)家正試圖，通過(guò)開(kāi)發(fā)新的教育機(jī)會(huì)來(lái)解決這一問(wèn)題。 研究作者一直熱愛(ài)計(jì)算機(jī)科學(xué)，然而，在西部山區(qū)長(zhǎng)大也非常關(guān)心環(huán)境。在研究生院的第一門(mén)課是地球動(dòng)力學(xué)，在尋找研究主題時(shí)，發(fā)現(xiàn)了反應(yīng)性傳輸模型，并完全被吸引住了。反應(yīng)遷移模型利用了各種領(lǐng)域的知識(shí)和專業(yè)知識(shí)，因此很少有人能夠完全理解模型的數(shù)值和概念基礎(chǔ)?？倳?huì)有人對(duì)場(chǎng)地的歷史、微生物代謝或線性代數(shù)庫(kù)有更多的了解，因此利用質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒控制方程來(lái)推導(dǎo)極限情況的能力也非常重要。
|
|
|
來(lái)自： 博科園 > 《地球科學(xué)類》
