在我們腳下有著一個極其復(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。人類對地球地下環(huán)境有著巨大的影響（通過采礦、化石燃料開采、灌溉和能源廢料儲存等）人類必須應(yīng)對隨之而來的環(huán)境問題，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程中，是如何將無形變?yōu)橛行蔚摹?/p>
為了做到這一點，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的。當(dāng)水流經(jīng)地面時，與復(fù)雜的礦物表面、有機(jī)物和微生物相互作用，最終影響營養(yǎng)物質(zhì)和污染物如何通過環(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)合了對流體流動、遷移過程和生物地球化學(xué)反應(yīng)的描述。
以計算溶質(zhì)、礦物甚至微生物群落在空間和時間上的變化。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)輸過程以及生物地球化學(xué)。從某種意義上說，它們是一個圖書館，包含了很多知識，從地下水流動的物理學(xué)到微生物代謝的細(xì)節(jié)。反應(yīng)和傳輸必須同時計算，因為它們經(jīng)常強(qiáng)烈地相互作用，這對于受人類活動影響的系統(tǒng)尤其重要。例如，在許多受地下水污染影響的地點，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，堵塞了孔隙空間，這種嘗試可能會失敗。通過使用模型來模擬清理策略，這些站點的科學(xué)家可以設(shè)計出更好的策略來清理水。反應(yīng)遷移模型的另一個關(guān)鍵特性是能夠在很長時間范圍內(nèi)(甚至是數(shù)千年到數(shù)百萬年)對流程進(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，后者是控制大氣長期碳循環(huán)中的一個關(guān)鍵過程。
我們周圍看到的大多數(shù)景觀都包含著地球過去的遺產(chǎn)，這對于理解今天和未來發(fā)生的人為驅(qū)動或自然干擾至關(guān)重要。有時，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，他們想知道這些信號可能告訴我們關(guān)于過去數(shù)百萬至數(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間尺度和過程，反應(yīng)性傳輸幾乎已經(jīng)進(jìn)入地球科學(xué)的每一個領(lǐng)域。核廢料儲存一直是一項非常重要的應(yīng)用，因為需要預(yù)測各種廢料包在未來未知?dú)夂蚯榫跋聰?shù)十萬年的穩(wěn)定性。
地下水污染是另一個關(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，需要在部署之前對每個站點進(jìn)行模擬和理解。在受污染的現(xiàn)場，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。一個重要的例子是使用模型來了解世界各地砷污染情況。最后，地質(zhì)碳儲存，包括向深層地質(zhì)層注入大量的二氧化碳，已經(jīng)成為另一個領(lǐng)域，在那里，模型被用來估計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。
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。地球通過一系列的反應(yīng)來吸收碳，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。一個關(guān)鍵的問題是：如何才能模擬這個自然過程，安全地儲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。
土壤是另一個關(guān)鍵區(qū)域，土壤碳是地球表面或近地表最大的碳庫。因此對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)測未來碳循環(huán)的地球系統(tǒng)模型（包括政府間氣候變化專門委員會(IPCC)使用的模型）都包含了對土壤碳轉(zhuǎn)化的過時描述，而且沒有對微生物進(jìn)行明確的處理。為了解決這一問題，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能源部國家實驗室的科學(xué)家建立和維護(hù)，這意味著培訓(xùn)機(jī)會相對較少，這個領(lǐng)域仍然很小，大學(xué)里只有幾個項目?？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，通過開發(fā)新的教育機(jī)會來解決這一問題。
研究作者一直熱愛計算機(jī)科學(xué)，然而，在西部山區(qū)長大也非常關(guān)心環(huán)境。在研究生院的第一門課是地球動力學(xué)，在尋找研究主題時，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)域的知識和專業(yè)知識，因此很少有人能夠完全理解模型的數(shù)值和概念基礎(chǔ)。總會有人對場地的歷史、微生物代謝或線性代數(shù)庫有更多的了解，因此利用質(zhì)量、動量和能量守恒控制方程來推導(dǎo)極限情況的能力也非常重要。
博科園｜研究/來自：斯坦福大學(xué)/Danielle Torrent Tucker
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