A quoi ressemble un chercheur en rivière ? La question peut évoquer des images de personnes penchées sur les côtés de bateaux pour recueillir des échantillons d'eau ou debout dans des courants tourbillonnants avec de grands filets pour attraper des débris, cuissardes à hauteur de poitrine presque entièrement immergées.

Vous n'imaginez probablement pas quelqu'un assis devant un ordinateur, écrire du code et concevoir des algorithmes complexes. C'est pourtant ainsi que Xiaofeng Liu, professeur assistant en génie civil et environnemental à Penn State et co-embauche de l'Institute for CyberScience (ICS), étudie les rivières :en les modélisant informatiquement.

Liu est un expert dans la création de modèles informatiques de fluides, et il applique ses compétences à prédire comment l'eau et les matériaux en suspension ou dissous dans l'eau s'écoulent dans les rivières. Ce travail a des implications majeures pour les études environnementales.

"Nous travaillons actuellement sur un projet pour quantifier la quantité de dioxyde de carbone (CO2) émise par les rivières dans l'atmosphère, ", a déclaré Liu. "Ceci est essentiel pour calculer notre budget mondial du carbone et comprendre le changement climatique."

Des rivières qui respirent

Des recherches récentes à l'Université de Yale, publié dans la revue La nature , a découvert que les rivières émettent des quantités importantes de CO2 dans l'atmosphère, jusqu'à un quart de la quantité de CO2 émise par la combustion de combustibles fossiles et le changement d'utilisation des terres. C'est un montant étonnant, étant donné la superficie relativement petite que les rivières occupent.

Pour mieux comprendre ce phénomène, les scientifiques ont besoin d'un meilleur moyen de quantifier la quantité de CO2 réellement produite par les rivières.

En collaboration avec l'Université du Texas à Austin (UT) et le Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), Le laboratoire de Liu travaille actuellement sur ce problème en créant un modèle qui peut simuler le mouvement du carbone de l'eau de la rivière dans les sédiments des berges et du lit de la rivière, et vice versa. Ce mouvement est important car la majeure partie du CO2 fluvial est créée lorsque le carbone s'infiltre dans les sédiments fluviaux et alimente les réactions chimiques productrices de CO2.

Le carbone s'écoule dans les rivières et dans les sédiments par le biais de nombreux processus naturels. Les rivières transportent souvent des matières organiques, comme les débris de plantes, qui peuvent se décomposer et émettre du CO2.

Bien que certains modèles de flux de carbone fluvial existent, Le modèle de Liu est le premier à prendre en compte le fait que l'eau entre et sort des sédiments fluviaux.

"La plupart des modèles simulent le mouvement d'entités hydriques dans les sédiments, mais pas l'inverse, " dit Liu. " En fait, c'est une rue à double sens, parce que l'eau s'infiltre dans les sédiments et en sort. Pour faire un modèle vraiment précis, il faut simuler ce mouvement dynamique."

Les algorithmes complexes que Liu utilise pour créer ce modèle nécessitent une puissance de calcul massive. Liu s'appuie sur des cœurs informatiques fournis par ICS-ACI, Cloud de recherche haute performance de Penn State.

Le partenaire de Liu à l'UT mènera des expériences physiques dans un canal de 5 mètres, un canal d'eau artificiel destiné à imiter le comportement d'une section de rivière. Ces expériences fourniront des données dont Liu a besoin pour affiner son modèle.

Une fois le modèle calibré à petite échelle, Les partenaires du PNNL de Liu le testeront à une échelle beaucoup plus grande - un tronçon de deux kilomètres du fleuve Columbia dans le nord-ouest du Pacifique.

Le modèle à grande échelle permettra aux chercheurs de mieux comprendre l'impact des rivières sur les émissions mondiales de carbone.

"Le problème auquel nous nous attaquons nécessite une équipe d'experts aux compétences diverses, " a déclaré Liu. " C'est passionnant de fournir l'expertise en modélisation informatique à cette collaboration. "

Liu espère que son modèle sera utilisé non seulement pour quantifier les émissions de carbone des rivières, mais aussi de comprendre la propagation des polluants fluviaux.

"Le modèle est très flexible, " a déclaré Liu. " Nous l'utilisons pour simuler le carbone, mais avec quelques changements, il peut modéliser de nombreux contaminants dans la rivière. »

Ce projet est financé par le ministère de l'Énergie (DoE), qui gère le PNNL. Liu pense que le DoE utilisera éventuellement le modèle dans les efforts pour nettoyer la pollution dans le fleuve Columbia, dont certaines parties sont contaminées par des déchets nucléaires.

Un voyage sinueux

Bien que le travail de Liu soit utilisé pour protéger l'environnement, il n'a pas commencé sa carrière comme chercheur en environnement. Au lieu, en tant qu'étudiant de premier cycle, il a étudié la construction de barrages hydroélectriques.

Mais à l'école supérieure, il s'est concentré sur la façon dont les barrages et autres systèmes créés par l'homme affectent l'environnement, obtenir une maîtrise en sciences de l'environnement.

"Les ingénieurs de l'époque construisaient des barrages sans trop penser aux impacts environnementaux, " dit Liu. " Mais petit à petit, la société s'est rendu compte que ces barrages causaient des conséquences imprévues dans les rivières. Au fur et à mesure que la prise de conscience grandissait, Je me suis davantage intéressé aux effets des barrages et à l'impact négatif qu'ils peuvent créer."

Le voyage de Liu a ensuite pris une autre tournure. Après avoir obtenu son premier master, il a poursuivi une autre maîtrise en mathématiques appliquées.

"La plupart de nos modèles informatiques sont basés sur la résolution d'équations différentielles, " a déclaré Liu. " Je savais que je voulais utiliser ces modèles pour comprendre la dynamique des rivières, mais j'avais d'abord besoin d'avoir une compréhension approfondie des équations."

L'étude des mathématiques a donné à Liu l'expertise dont il avait besoin pour poursuivre son doctorat en génie civil. Ses études doctorales ont porté sur la modélisation informatique des fluides.

Les compétences de Liu trouvent de nombreuses utilisations. Outre le développement de modèles pour le projet de respiration du carbone, il a également travaillé sur des sujets allant de l'étude de la pollution de l'eau causée par la fracturation hydraulique (fracking) à l'aide à l'élimination des dangers liés aux munitions sous-marines non explosées. Il travaille même sur un projet pour aider les poissons à naviguer plus facilement sur la rivière Susquehanna.

"Il y a beaucoup de questions importantes et intéressantes auxquelles j'aimerais répondre, " a déclaré Liu. " Un gros problème est la question de l'échelle. Nous pouvons faire de bons modèles de ce qui se passe dans une rivière dans un petit espace. Mais comment pouvons-nous rendre le modèle précis lors de la simulation de plusieurs kilomètres de rivière, sans devenir si complexe qu'il soit trop gourmand en calculs à exécuter ?

"L'échelle de temps est délicate, trop. Les modèles actuels peuvent nous dire ce qui peut arriver en quelques heures ou jours. Mais nous devons également prévoir des choses qui pourraient se produire des décennies dans le futur. Combler ces échelles est un défi majeur. »

Bien que ces défis soient de taille, Liu est impatient de les affronter. Il est motivé par le sentiment à quel point la préservation de nos cours d'eau est cruciale pour la société.

"Ce métier est ancien mais a une importance perpétuelle pour la civilisation, " dit Liu. " Sans eau, où serions-nous ?"