Un sistema increíblemente complejo vive bajo nuestros pies, transportando metales a la corteza terrestre y experimentando una miríada de reacciones químicas que influyen en nuestra vida diaria. Estas interacciones ambientales afectan todo, desde nuestra capacidad para usar el suelo para producir alimentos y la limpieza de nuestra agua potable hasta cómo podríamos mitigar nuestro clima cambiante. Los seres humanos tienen un gran impacto en el subsuelo de la Tierra, a través de la minería, extracción de combustibles fósiles, irrigación y almacenamiento de residuos de energía, y tenemos que lidiar con los problemas ambientales que surgen. Y todavía, no podemos verlo.

Para mirar virtualmente al suelo, muchos investigadores utilizan enfoques de modelado complejos que tienen en cuenta factores como las interacciones entre microorganismos y cómo las plantas absorben y devuelven agua y nutrientes. Estos enfoques biogeoquímicos, herramientas esenciales para las ciencias de la Tierra y otros campos, son el sustento de la investigación de Kate Maher, profesor asociado de ciencia del sistema terrestre en la Escuela de la Tierra de Stanford, Energía y Ciencias Ambientales (Stanford Earth).

En esta sesión de preguntas y respuestas, Maher explica cómo los científicos modernos hacen visible lo invisible mientras investigan los procesos que transportan contaminantes y dan forma a la superficie de la Tierra. Para hacer esto, utilizan modelos y visualizaciones que incorporan las últimas técnicas matemáticas, tecnología de detección y cantidades masivas de datos. Maher coeditó el número especial actual de Revista Elements , titulado "Modelado de transporte reactivo, "que proporciona una mirada más profunda a este campo.

¿Qué es el modelado de transporte reactivo?

La mayor parte del agua que bebemos pasa una parte considerable de su vida como agua subterránea. Como el agua fluye por la tierra, interactúa con superficies minerales complejas, materia orgánica y microorganismos que, en última instancia, pueden influir en cómo se transportan los nutrientes y contaminantes a través de los sistemas ambientales. Los sistemas de aguas subterráneas se extienden de metros a kilómetros por debajo de la superficie, y así los modelos son la única herramienta que tenemos para estudiar la vida invisible del agua.

Los modelos de transporte reactivo (RTM) son algoritmos avanzados que combinan descripciones de flujo de fluido, procesos de transporte y reacciones biogeoquímicas para calcular cambios en solutos, minerales e incluso comunidades microbianas en el espacio y el tiempo. Los modelos se han construido durante décadas para incorporar continuamente descripciones de vanguardia de los procesos de transporte, así como de la biogeoquímica. En algún sentido, son una biblioteca que contiene nuestro conocimiento de todo, desde la física del flujo de agua subterránea hasta los detalles del metabolismo microbiano.

Las reacciones y el transporte deben calcularse juntos porque a menudo interactúan fuertemente, y esto es especialmente importante para los sistemas que se han visto afectados por la actividad humana. Por ejemplo, en muchos sitios afectados por la contaminación de las aguas subterráneas, un método común para limpiar el agua es inyectar carbono orgánico para provocar una reacción en los microorganismos. Pero el intento podría fallar si hay demasiado crecimiento microbiano cerca del pozo, obstruyendo el espacio de los poros. Al usar modelos para simular una estrategia de limpieza, Los científicos de estos sitios pueden diseñar mejores estrategias para limpiar el agua.

La capacidad de modelar procesos en escalas de tiempo prolongadas, o incluso de miles a millones de años, es otra característica clave de los RTM. Estos modelos nos han ayudado a comprender la velocidad a la que las rocas se disuelven para formar suelos, o los componentes de la meteorización química, desde el papel de las plantas y los microorganismos en la disolución de minerales hasta la velocidad a la que el dióxido de carbono del agua de lluvia se convierte en bicarbonato, un proceso clave en el ciclo del carbono a largo plazo que controla nuestra atmósfera.

¿Cuáles son algunas aplicaciones del modelado de transporte reactivo?

La mayoría de los paisajes que vemos a nuestro alrededor contienen un legado del pasado que puede ser fundamental para comprender las perturbaciones naturales o provocadas por humanos que ocurren hoy y en el futuro. A veces, los geocientíficos descubren señales desconcertantes en rocas antiguas y quieren saber qué podrían decirnos sobre el medio ambiente de la Tierra hace millones o miles de millones de años. Dada la necesidad de abarcar una amplia gama de escalas de tiempo y procesos, El transporte reactivo se ha abierto camino en casi todos los campos de las geociencias y damos algunos ejemplos en nuestro artículo introductorio, seguido de otros seis artículos de actualidad.

El almacenamiento de residuos nucleares ha sido una aplicación muy importante, dada la necesidad de predecir la estabilidad de varios paquetes de residuos durante cientos de miles de años en escenarios climáticos futuros desconocidos. La contaminación de las aguas subterráneas ha sido otra área clave. Estrategias de limpieza ambiental, especialmente aquellos que involucran microorganismos u otras intervenciones de ingeniería, deben simularse y comprenderse para cada sitio antes de su implementación. En sitios contaminados, Los RTM se utilizan tanto como herramientas para definir el alcance de las estrategias de limpieza como para desarrollar pautas regulatorias. Un ejemplo importante ha sido el uso de modelos para comprender la contaminación por arsénico en sitios de todo el mundo. Finalmente, almacenamiento geológico de carbono, que implica la inyección de cantidades masivas de dióxido de carbono en capas geológicas profundas, ha sido otra área en la que se utilizan modelos para estimar la cantidad de dióxido de carbono que se disuelve en el agua subterránea y la cantidad que podría volverse insoluble, y por lo tanto secuestrado de forma más permanente.

¿Cómo pueden estas técnicas informar nuestra comprensión del cambio climático o el logro de soluciones climáticas?

Los seres humanos están inyectando carbono en el sistema océano-atmósfera a una velocidad que es aproximadamente 70 veces la capacidad de la Tierra para secuestrarlo. La Tierra secuestra carbono a través de una secuencia de reacciones que involucran la disolución de minerales en el suelo seguida de la precipitación de piedra caliza en los océanos. Una pregunta clave es:¿Cómo podemos imitar este proceso natural para almacenar de forma segura el dióxido de carbono que emitimos? En unas rocas el dióxido de carbono nunca formará minerales y siempre tendrá el potencial de migrar a los suministros de agua potable o de regreso a la atmósfera.

Los suelos son otra área clave. El carbono del suelo es el depósito más grande de carbono en la superficie de la Tierra o cerca de ella y, por lo tanto, es especialmente sensible a los cambios en el uso de la tierra. así como a los cambios de temperatura y humedad del suelo asociados con el cambio climático. Muchos de los modelos actuales de los sistemas terrestres que se utilizan para predecir el ciclo del carbono en el futuro, incluidos los utilizados por el Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC), contienen descripciones obsoletas de las transformaciones del carbono del suelo y ningún tratamiento explícito de los microorganismos. Para abordar este problema, Los científicos que utilizan RTM participan activamente en la búsqueda de formas de mejorar la representación en el carbono del suelo en los modelos del sistema terrestre. Esto puede variar desde el efecto de la sequía en los microorganismos hasta el papel que juegan los minerales del suelo en la captura de carbono. El objetivo final es reducir la incertidumbre en torno a la respuesta de los suelos al cambio climático.

¿Qué le llevó a dedicarse a este campo y qué habilidades requiere?

Como estudiante Siempre amé las ciencias de la computación. Sin embargo, habiendo crecido en las montañas del oeste, También estaba profundamente preocupado por el medio ambiente. Uno de mis primeros cursos en la escuela de posgrado fue en geodinámica, y al buscar un tema para mi trabajo final, Descubrí los modelos de transporte reactivo y me fascinó por completo.

Yo diría que la habilidad más importante es probablemente la capacidad de aprender de los demás. Los RTM se basan en el conocimiento y la experiencia de una variedad de campos increíblemente diversa, de modo que hay muy pocas personas que puedan comprender plenamente los fundamentos numéricos y conceptuales de los modelos. Siempre habrá alguien que sepa más sobre la historia del sitio de campo, los metabolismos microbianos o las bibliotecas de álgebra lineal. El trabajo del modelador es, en última instancia, recopilar esta información de manera significativa. Sin embargo, El potencial infinito para integrar el conocimiento en las comunidades científicas también significa que los RTM pueden ser plataformas increíblemente poderosas para la colaboración.

He aprendido que una mezcla de determinación la curiosidad y la paciencia son fundamentales. En nuestro artículo del kit de herramientas, describimos algunas de las áreas clave. Una sólida formación en programación y matemáticas es extremadamente útil, o al menos hacer que sea más fácil comenzar. Los modelos son tan complejos que es fácil producir resultados que no tienen sentido físico, por lo que la capacidad de utilizar las ecuaciones que gobiernan la masa, El impulso y la conservación de la energía para desarrollar casos límite también es extremadamente importante.

La mayoría de los RTM convencionales son construidos y mantenidos por científicos del Laboratorio Nacional del Departamento de Energía de EE. UU. lo que significa que hay relativamente pocas oportunidades de capacitación y el campo aún es pequeño, con solo unos pocos programas en las universidades. Dado el vasto potencial de estos modelos, esto es algo que los científicos que utilizan RTM están tratando de abordar mediante el desarrollo de nuevas oportunidades innovadoras para la educación.