Un système incroyablement complexe vit sous nos pieds, transportant des métaux vers la croûte terrestre et subissant une myriade de réactions chimiques qui influencent notre vie quotidienne. Ces interactions environnementales affectent tout, de notre capacité à utiliser le sol pour produire de la nourriture et la propreté de notre eau potable à la façon dont nous pourrions atténuer notre changement climatique. Les humains ont un impact énorme sur le sous-sol de la Terre - grâce à l'exploitation minière, l'extraction de combustibles fossiles, l'irrigation et le stockage des déchets énergétiques—et nous devons faire face aux problèmes environnementaux qui en découlent. Et encore, nous ne pouvons pas le voir.

Pour scruter virtuellement le sol, de nombreux chercheurs utilisent des approches de modélisation complexes qui tiennent compte de facteurs tels que les interactions entre les micro-organismes et la façon dont les plantes absorbent et restituent l'eau et les nutriments. Ces approches biogéochimiques, outils essentiels pour les sciences de la Terre et d'autres domaines, sont le pain et le beurre des recherches de Kate Maher, professeur agrégé de science du système terrestre à la Stanford's School of Earth, Sciences de l'énergie et de l'environnement (Stanford Earth).

Dans ce Q&R, Maher explique comment les scientifiques modernes rendent l'invisible visible lorsqu'ils étudient les processus qui transportent les contaminants et façonnent la surface de la Terre. Pour faire ça, ils utilisent des modélisations et des visualisations qui intègrent les dernières techniques mathématiques, technologie de détection et des quantités massives de données. Maher a co-édité le numéro spécial actuel de Magazine Éléments , intitulé "Modélisation réactive du transport, " qui permet d'approfondir ce domaine.

Qu'est-ce que la modélisation du transport réactif ?

La majeure partie de l'eau que nous buvons passe une partie considérable de sa vie sous forme d'eau souterraine. Au fur et à mesure que l'eau s'écoule dans le sol, il interagit avec des surfaces minérales complexes, la matière organique et les micro-organismes qui peuvent finalement influencer la façon dont les nutriments et les contaminants sont transportés dans les systèmes environnementaux. Les systèmes d'eaux souterraines s'étendent de mètres à kilomètres sous la surface, et ainsi les modèles sont le seul outil dont nous disposons pour étudier la vie invisible de l'eau.

Les modèles de transport réactif (RTM) sont des algorithmes avancés qui combinent des descriptions d'écoulement de fluide, les processus de transport et les réactions biogéochimiques afin de calculer les évolutions des solutés, minéraux et même des communautés microbiennes dans l'espace et dans le temps. Les modèles ont été construits au fil des décennies pour incorporer en permanence des descriptions de pointe des processus de transport ainsi que de la biogéochimie. En quelques sortes, ils sont une bibliothèque contenant notre connaissance de tout, de la physique de l'écoulement des eaux souterraines aux détails des métabolismes microbiens.

Les réactions et le transport doivent être calculés ensemble car ils interagissent souvent fortement, et ceci est particulièrement important pour les systèmes qui ont été touchés par l'activité humaine. Par exemple, sur de nombreux sites touchés par la contamination des eaux souterraines, une méthode courante pour nettoyer l'eau consiste à injecter du carbone organique pour provoquer une réaction dans les micro-organismes. Mais la tentative pourrait échouer s'il y a trop de croissance microbienne près du puits, obstruer l'espace interstitiel. En utilisant des modèles pour simuler une stratégie de nettoyage, les scientifiques de ces sites peuvent concevoir de meilleures stratégies pour nettoyer l'eau.

La capacité de modéliser des processus sur de longues échelles de temps, voire des milliers à des millions d'années, est une autre caractéristique clé des RTM. Ces modèles nous ont aidés à comprendre la vitesse à laquelle les roches se dissolvent pour former des sols, ou les composants de l'altération chimique - du rôle des plantes et des micro-organismes dans la dissolution des minéraux à la vitesse à laquelle le dioxyde de carbone dans l'eau de pluie est converti en bicarbonate, un processus clé dans le cycle du carbone à long terme qui contrôle notre atmosphère.

Quelles sont les applications de la modélisation réactive du transport ?

La plupart des paysages que nous voyons autour de nous contiennent un héritage du passé qui peut être essentiel pour comprendre les perturbations anthropiques ou naturelles qui se produisent aujourd'hui et dans le futur. Parfois, les géoscientifiques découvrent des signaux déroutants dans des roches anciennes et veulent savoir ce qu'ils pourraient nous dire sur les environnements terrestres il y a des millions, voire des milliards d'années. Compte tenu de la nécessité de couvrir un large éventail d'échelles de temps et de processus, le transport réactif a trouvé sa place dans presque tous les domaines des géosciences et nous en donnons quelques exemples dans notre article d'introduction, suivi de six autres articles d'actualité.

Le stockage des déchets nucléaires a été une application très importante, étant donné la nécessité de prédire la stabilité de divers colis de déchets pendant des centaines de milliers d'années dans des scénarios climatiques futurs inconnus. La contamination des eaux souterraines a été un autre domaine clé. Stratégies de nettoyage de l'environnement, en particulier ceux impliquant des micro-organismes ou d'autres interventions techniques, doivent être simulés et compris pour chaque site avant leur déploiement. Sur les sites contaminés, Les RTM sont utilisées à la fois comme outils pour définir la portée des stratégies de nettoyage et pour élaborer des directives réglementaires. Un exemple important a été l'utilisation de modèles pour comprendre la contamination par l'arsenic sur des sites à travers le monde. Finalement, stockage géologique du carbone, qui implique l'injection de quantités massives de dioxyde de carbone dans les couches géologiques profondes, a été un autre domaine où des modèles sont utilisés pour estimer la quantité de dioxyde de carbone qui se dissout dans les eaux souterraines et la quantité qui pourrait devenir insoluble, et donc plus définitivement séquestré.

Comment ces techniques peuvent-elles éclairer notre compréhension du changement climatique ou la réalisation de solutions climatiques ?

Les humains injectent du carbone dans le système océan-atmosphère à un taux qui est environ 70 fois la capacité de la Terre à le séquestrer. La Terre séquestre le carbone à travers une séquence de réactions impliquant la dissolution des minéraux dans les sols suivie par la précipitation du calcaire dans les océans. Une question clé est la suivante :comment pourrions-nous imiter ce processus naturel pour stocker en toute sécurité le dioxyde de carbone que nous émettons ? Dans certains rochers, le dioxyde de carbone ne formera jamais de minéraux et il aura toujours le potentiel de migrer dans les réserves d'eau potable ou de retourner dans l'atmosphère.

Les sols sont un autre domaine clé. Le carbone du sol est le plus grand réservoir de carbone à la surface de la Terre ou près de celle-ci et il est donc particulièrement sensible aux changements d'affectation des terres, ainsi qu'aux changements de température et d'humidité du sol associés au changement climatique. De nombreux modèles actuels des systèmes terrestres qui sont utilisés pour prédire le cycle du carbone dans le futur, y compris ceux utilisés par le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC), contiennent des descriptions obsolètes des transformations du carbone du sol et aucun traitement explicite des micro-organismes. Pour résoudre ce problème, les scientifiques utilisant les RTM s'emploient activement à trouver des moyens d'améliorer la représentation du carbone du sol dans les modèles du système terrestre. Cela peut aller de l'effet de la sécheresse sur les micro-organismes au rôle que jouent les minéraux du sol dans la séquestration du carbone. L'objectif ultime est de réduire l'incertitude entourant la réponse des sols au changement climatique.

Qu'est-ce qui vous a poussé à poursuivre ce domaine et quelles compétences cela nécessite-t-il ?

En tant qu'étudiant de premier cycle, J'ai toujours aimé l'informatique. Cependant, ayant grandi dans les montagnes de l'Ouest, J'étais aussi profondément préoccupé par l'environnement. Un de mes premiers cours à l'école doctorale était en géodynamique, et en cherchant un sujet pour mon article final, J'ai découvert les modèles de transport réactif et j'ai été complètement fasciné.

Je dirais que la compétence la plus importante est probablement la capacité d'apprendre des autres. Les RTM s'appuient sur les connaissances et l'expertise d'un éventail incroyablement diversifié de domaines, de sorte qu'il y a très peu de personnes qui peuvent pleinement comprendre les fondements numériques et conceptuels des modèles. Il y aura toujours quelqu'un qui en saura plus sur l'histoire du terrain, les métabolismes microbiens ou les bibliothèques d'algèbre linéaire. Le travail du modélisateur est finalement de récolter ces informations de manière significative. Cependant, le potentiel infini d'intégration des connaissances entre les communautés scientifiques signifie également que les RTM peuvent être des plateformes de collaboration incroyablement puissantes.

J'ai appris qu'un mélange de détermination, la curiosité et la patience sont essentielles. Dans notre article sur la boîte à outils, nous décrivons certains des domaines clés. Une solide expérience en programmation et en mathématiques est extrêmement utile, ou au moins faciliter le démarrage. Les modèles sont si complexes qu'il est facile de produire des résultats qui n'ont pas de sens physique, donc la possibilité d'utiliser les équations régissant la masse, l'élan et la conservation de l'énergie pour développer des cas limites sont également extrêmement importants.

La plupart des RTM grand public sont construits et entretenus par des scientifiques du laboratoire national du département de l'Énergie des États-Unis, ce qui signifie qu'il y a relativement peu de possibilités de formation et que le domaine est encore petit, avec seulement quelques programmes dans les universités. Étant donné le vaste potentiel de ces modèles, c'est quelque chose que les scientifiques utilisant les RTM tentent de résoudre en développant de nouvelles opportunités innovantes pour l'éducation.