人類排出地球吸收能力70倍的碳，這數字蘊含著多麼可怕的未來？

2020-10-18 博科園

在我們腳下有著一個極其複雜的系統，它將金屬運送到地殼，並經歷著無數影響日常生活的化學反應。這些環境相互作用影響著一切，從利用土壤生產食物的能力，到飲用水的清潔程度，再到如何減緩氣候變化。人類對地球地下環境有著巨大的影響（通過採礦、化石燃料開採、灌溉和能源廢料儲存等）人類必須應對隨之而來的環境問題，然而，我們卻看不到它。

為了深入研究土壤，許多研究人員使用複雜的建模方法，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物質等因素。這些生物地球化學方法（地球科學和其他領域的基本工具）是史丹福大學地球、能源和環境科學學院(Stanford Earth)地球系統科學副教授凱特·馬赫(Kate Maher)研究的主要內容。Maher解釋了現代科學家在研究汙染物運輸和塑造地球表面的過程中，是如何將無形變為有形的。

什麼是反應性傳輸建模？

為了做到這一點，使用建模和可視化，結合了最新數學技術、傳感技術和大量數據。地球生命包括人類喝的大部分水有相當一部分是作為地下水度過的。當水流經地面時，與複雜的礦物表面、有機物和微生物相互作用，最終影響營養物質和汙染物如何通過環境系統運輸。地下水系統從地表下幾米延伸到幾公裡，因此模型是研究無形水的唯一工具。反應遷移模型(RTMs)是一種先進的算法，它結合了對流體流動、遷移過程和生物地球化學反應的描述。

以計算溶質、礦物甚至微生物群落在空間和時間上的變化。這些模型已經建立了幾十年，以不斷納入最先進的描述運輸過程以及生物地球化學。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到微生物代謝的細節。反應和傳輸必須同時計算，因為它們經常強烈地相互作用，這對於受人類活動影響的系統尤其重要。例如，在許多受地下水汙染影響的地點，一種常用的淨水方法是注入有機碳，使微生物發生反應。

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，這些站點的科學家可以設計出更好的策略來清理水。反應遷移模型的另一個關鍵特性是能夠在很長時間範圍內(甚至是數千年到數百萬年)對流程進行建模。這些模型幫助我們了解巖石溶解形成土壤的速度，或化學氣候成分——從植物和微生物在溶解礦物質中的作用，到雨水中二氧化碳轉化為碳酸氫鹽的速度，後者是控制大氣長期碳循環中的一個關鍵過程。

反應性傳輸建模有哪些應用？

我們周圍看到的大多數景觀都包含著地球過去的遺產，這對於理解今天和未來發生的人為驅動或自然幹擾至關重要。有時，地球科學家在古代巖石中發現了令人費解的信號，他們想知道這些信號可能告訴我們關於過去數百萬至數十億年地球環境的什麼信息。由於需要跨越各種不同的時間尺度和過程，反應性傳輸幾乎已經進入地球科學的每一個領域。核廢料儲存一直是一項非常重要的應用，因為需要預測各種廢料包在未來未知氣候情景下數十萬年的穩定性。

地下水汙染是另一個關鍵領域，環境清理策略，特別是那些涉及微生物或其他工程幹預的策略，需要在部署之前對每個站點進行模擬和理解。在受汙染的現場，反應遷移模型被用作確定清理策略範圍和制定監管指南的工具。一個重要的例子是使用模型來了解世界各地砷汙染情況。最後，地質碳儲存，包括向深層地質層注入大量的二氧化碳，已經成為另一個領域，在那裡，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。

這些技術如何幫助理解氣候變化或實現氣候解決方案？

人類向海洋大氣系統中注入碳的速度，大約是地球吸收碳能力的70倍。地球通過一系列的反應來吸收碳，這些反應包括土壤中礦物質的溶解和海洋中石灰石的沉澱。一個關鍵的問題是：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，二氧化碳永遠不會形成礦物質，它總是有可能遷移到飲用水供應中或回到大氣中。

土壤是另一個關鍵區域，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的溫度和土壤溼度變化特別敏感。目前許多用於預測未來碳循環的地球系統模型（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化的過時描述，而且沒有對微生物進行明確的處理。為了解決這一問題，使用反應遷移模型的科學家們正在積極地尋找，提高土壤碳在地球系統模型中的代表性方法。

這可以從乾旱對微生物的影響到土壤礦物質在固碳中的作用，最終目標是減少土壤對氣候變化反應的不確定性。大多數主流反應遷移模型都是由美國能源部國家實驗室的科學家建立和維護，這意味著培訓機會相對較少，這個領域仍然很小，大學裡只有幾個項目。考慮到這些模型的巨大潛力，使用反應遷移模型（RTMs）的科學家正試圖，通過開發新的教育機會來解決這一問題。

研究作者一直熱愛計算機科學，然而，在西部山區長大也非常關心環境。在研究生院的第一門課是地球動力學，在尋找研究主題時，發現了反應性傳輸模型，並完全被吸引住了。反應遷移模型利用了各種領域的知識和專業知識，因此很少有人能夠完全理解模型的數值和概念基礎。總會有人對場地的歷史、微生物代謝或線性代數庫有更多的了解，因此利用質量、動量和能量守恆控制方程來推導極限情況的能力也非常重要。

博科園｜研究/來自：史丹福大學/Danielle Torrent Tucker

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