¿Cómo es un investigador de ríos? La pregunta puede evocar imágenes de personas inclinadas sobre los costados de los botes para recolectar muestras de agua o pararse en corrientes arremolinadas con grandes redes para atrapar los escombros. aves zancudas hasta el pecho sumergidas casi por completo.

Probablemente no se esté imaginando a alguien sentado frente a una computadora, escribir código y diseñar algoritmos complejos. Sin embargo, así es como Xiaofeng Liu, profesor asistente de ingeniería civil y ambiental en Penn State y cocontratado del Institute for CyberScience (ICS), estudia los ríos:modelándolos computacionalmente.

Liu es un experto en la creación de modelos informáticos de fluidos, y aplica sus habilidades para predecir cómo el agua (y los materiales suspendidos o disueltos en el agua) fluyen en los ríos. Este trabajo tiene importantes implicaciones para los estudios ambientales.

"Actualmente estamos trabajando en un proyecto para cuantificar la cantidad de dióxido de carbono (CO2) que emiten los ríos a la atmósfera, ", dijo Liu." Esto es fundamental para calcular nuestro presupuesto global de carbono y comprender el cambio climático ".

Ríos que respiran

Investigaciones recientes en la Universidad de Yale, publicado en la revista Naturaleza , ha descubierto que los ríos aportan cantidades significativas de CO2 a la atmósfera, hasta una cuarta parte del CO2 emitido por la quema de combustibles fósiles y el cambio de uso de la tierra. Esta es una cantidad asombrosa, dada la relativamente poca superficie terrestre que ocupan los ríos.

Para comprender mejor este fenómeno, los científicos necesitan una mejor forma de cuantificar la cantidad de CO2 que realmente producen los ríos.

En colaboración con la Universidad de Texas en Austin (UT) y el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL), El laboratorio de Liu está trabajando actualmente en este problema mediante la creación de un modelo que puede simular el movimiento de carbono del agua del río al sedimento de las orillas y el lecho del río. y viceversa. Este movimiento es importante porque la mayor parte del CO2 fluvial se crea cuando el carbono se filtra en los sedimentos del río y alimenta reacciones químicas que producen CO2.

El carbono fluye a través de los ríos hacia los sedimentos a través de muchos procesos naturales. Los ríos a menudo transportan materiales orgánicos, como restos de plantas, que puede descomponerse y emitir CO2.

Aunque existen algunos modelos de flujo de carbono fluvial, El modelo de Liu es el primero en tener en cuenta el hecho de que el agua entra y sale del sedimento del río.

"La mayoría de los modelos simulan el movimiento de entidades transmitidas por el agua hacia el sedimento, pero no al revés, "dijo Liu." De hecho, es una calle de doble sentido, porque el agua se filtra en el sedimento y fluye fuera de él. Para hacer un modelo verdaderamente preciso, tienes que simular este movimiento dinámico ".

Los complejos algoritmos que utiliza Liu para crear este modelo requieren una potencia computacional masiva. Liu se basa en núcleos de computadora proporcionados por ICS-ACI, La nube de investigación de alto rendimiento de Penn State.

El socio de Liu en UT realizará experimentos físicos en un canal de 5 metros, un canal de agua artificial destinado a emular el comportamiento de un tramo de río. Estos experimentos proporcionarán los datos que Liu necesita para perfeccionar su modelo.

Una vez que el modelo está calibrado a pequeña escala, Los socios de PNNL de Liu lo probarán a una escala mucho mayor:un tramo de dos kilómetros del río Columbia en el noroeste del Pacífico.

El modelo ampliado permitirá a los investigadores comprender mejor el impacto de los ríos en las emisiones globales de carbono.

"El problema que estamos abordando requiere un equipo de expertos con diversas habilidades, ", dijo Liu." Es emocionante proporcionar la experiencia en modelado computacional a esta colaboración ".

Liu espera que su modelo se utilice no solo para cuantificar las emisiones de carbono de los ríos, sino también para comprender la propagación de contaminantes fluviales.

"El modelo es muy flexible, ", dijo Liu." Lo estamos usando para simular carbono, pero con algunos cambios puede modelar muchos contaminantes en el río ".

Este proyecto está financiado por el Departamento de Energía (DoE), que ejecuta PNNL. Liu cree que el DoE eventualmente usará el modelo en sus esfuerzos por limpiar la contaminación en el río Columbia, partes de las cuales están contaminadas con desechos nucleares.

Un viaje sinuoso

Aunque el trabajo de Liu se utilizará para proteger el medio ambiente, no comenzó su carrera como investigador ambiental. En lugar de, como estudiante, estudió la construcción de represas hidroeléctricas.

Pero en la escuela de posgrado cambió su enfoque a cómo las presas y otros sistemas creados por el hombre afectan el medio ambiente, obtener una maestría en ciencias ambientales.

"Los ingenieros de esa época construyeron represas sin pensar demasiado en los impactos ambientales, "dijo Liu." Pero gradualmente, la sociedad se dio cuenta de que estas represas estaban causando consecuencias no deseadas en los ríos. A medida que crecía la conciencia Me interesé más en los efectos de las represas y el impacto negativo que pueden crear ".

El viaje de Liu luego dio otro giro. Después de obtener su primer título de maestría, realizó otra maestría en matemáticas aplicadas.

"La mayoría de nuestros modelos computacionales se basan en la resolución de ecuaciones diferenciales, ", dijo Liu." Sabía que quería usar estos modelos para comprender la dinámica de los ríos, pero primero necesitaba tener una comprensión profunda de las ecuaciones ".

Estudiar matemáticas le dio a Liu la experiencia que necesitaba para obtener su doctorado en ingeniería civil. Sus estudios de doctorado se centraron en el modelado computacional de fluidos.

Las habilidades de Liu están encontrando muchos usos. Además de desarrollar modelos para el proyecto de respiración de carbono, También ha trabajado en temas que van desde la investigación de la contaminación del agua causada por la fracturación hidráulica (fracking) hasta ayudar a remediar los peligros de las municiones submarinas sin detonar. Incluso está trabajando en un proyecto para ayudar a los peces a navegar más fácilmente por el río Susquehanna.

"Hay muchas preguntas importantes e interesantes que me gustaría responder, ", dijo Liu." Un gran problema es la cuestión de la escala. Podemos hacer buenos modelos de lo que sucede en un río en un espacio reducido. Pero, ¿cómo podemos hacer que el modelo sea preciso al simular muchas millas de río, sin llegar a ser tan complejo que su ejecución sea demasiado intensiva desde el punto de vista computacional?

"La escala de tiempo es complicada, también. Los modelos actuales pueden decirnos qué podría suceder en un par de horas o días. Pero también necesitamos predecir cosas que podrían ocurrir décadas en el futuro. Superar estas escalas es un gran desafío ".

Aunque estos desafíos son abrumadores, Liu está ansioso por enfrentarse a ellos. Está motivado por un sentido de lo importante que es para la sociedad la preservación de nuestras vías fluviales.

"Esta profesión es antigua pero tiene una importancia perpetua para la civilización, "dijo Liu." Sin agua, ¿Dónde estaríamos? "