Polar Ice Poate Păstra Secretele Materialelor Futuriste (Video)

{h1}

La fel ca fibra de carbon scumpă, gheața marină are o structură complexă complexă pe care matematicienii le-au descifrat recent, iar rezultatele inspiră totul, de la concepte pentru materiale noi, până la o mai bună manieră a modului în care se încălzește climatul de încălzire.

Amina Khan este producător multimedia pentru Fundația Națională a Științei din SUA (NSF). Ea a contribuit cu acest articol la WordsSideKick.com's Expert Voices: Op-Ed & Insights.

Ce piques o curiozitate de pinguin? Pentru câteva păsări curioase, a fost matematicianul Ken Golden găurind nuclee din gheața marină din Antarctica. Golden a fost în 17 expediții în zona arctică și antarctică de-a lungul carierei sale, dărâmând structurile unice ale gheții. Înțelegerea structurii gheții de mare poate dezvălui nu numai cât de rapid se va topi gheața de mare și impactul climatic de la capacele de gheață polare care se micșorează, dar oferă și indicii pentru o mai bună înțelegere a materialelor compozite - cum ar fi osul uman sau medii policristaline precum roci și metale. cu privire la modul în care cristalele de gheață și saramura se împletesc în microstructura gheții marine.

"Gheața de mare este un sistem foarte complicat", a spus Golden, care a studiat-o de prima dată de la prima sa expediție în Antarctica, în 1980. "Când cobori acolo", a spus el, "vezi cum interacționează cu oceanul, cum interacționează cu valurile, cu atmosfera ”.

Gheață, dantelată cu saramură

Interacțiunile dintre gheața de mare și mediul său schimbă dramatic gheața și modul în care se comportă. Asta în principal pentru că gheața de mare, deși pare a fi doar gheață solidă, este de fapt un material compozit, însemnând pur și simplu că este alcătuit din mai multe ingrediente.

Gheața de mare formează în mare parte două structuri distincte: gheața de mare coloană, mai frecventă în Arctica, este alcătuită din cristale orientate vertical blocate în camere extrem de apropiate, cu buzunare minuscule de saramură care completează unghiurile submillimetrice și crannies între plachetele cu gheață pură care conglomerează. pentru a alcătui fiecare cristal columnar.

Al doilea tip, gheața mare granulară, se găsește mai des în Antarctica și este mai fin și mai fain de grăunte în structura sa policristalină. Deși ambele tipuri de gheață de mare sunt formate din cristale de gheață și saramură, microstructura și proprietățile de curgere a fluidului diferă substanțial. Și Golden este interesat de cercetarea și descrierea proprietăților prin intermediul matematicii sale.

Un cauciuc Ken Golden se potrivește în apele arctice glaciare pentru a măsura adâncimea acestui iaz topit. Înțelegerea modului în care condițiile de mediu, cum ar fi temperatura și radiațiile solare care intră afectează percolarea, sau mișcarea apei în sus și în jos prin gheața de mare, ar putea ajuta oamenii de știință să prezică mai bine modul în care gheața de mare ar putea reacționa la schimbările din mediul său.

Un cauciuc Ken Golden se potrivește în apele arctice glaciare pentru a măsura adâncimea acestui iaz topit. Înțelegerea modului în care condițiile de mediu, cum ar fi temperatura și radiațiile solare care intră afectează percolarea, sau mișcarea apei în sus și în jos prin gheața de mare, ar putea ajuta oamenii de știință să prezică mai bine modul în care gheața de mare ar putea reacționa la schimbările din mediul său.

Perspective stealth

Cu sprijinul NSF, Golden studiază materialele compozite și structura gheții marine din 1984, când a fost coleg de postdoctorat al Științelor Matematice NSF în fizică matematică la Rutgers University din New Jersey. La începutul lucrărilor sale, el a observat cât de asemănător de asemănătoare este microstructura poroasă a gheții marine cu alte materiale compozite, cum ar fi materialele absorbante radar.

"Mi-a amintit de ceea ce se numesc microstructuri cu pulbere comprimată, unde aveți sfere mari de polimer și particule de metal mici, iar acele microstructuri sunt comprimate în jos pentru a forma o matrice a unei gazde polimer izolante cu incluziuni conducătoare", a spus el. În acele microstructuri, particulele conductoare formează căi electrice interconectate în jurul particulelor de polimer izolant, la fel cum incluziunile microscopice de saramură în gheața de mare se pot conecta pentru a forma căi brinice în jurul cristalelor solide de gheață.

Matematica folosită de aur deja concepută pentru a descrie pragul de volum critic sau procentul de volum al particulelor conducătoare necesare pentru a obține căi electrice lungi și capacități sigure în pulberile comprimate. Apoi a aplicat modelul de pulbere comprimată proprietăților microstructurale și de curgere a fluidelor gheții marine.

Din aceasta, el a dezvoltat Regula lui Fives, care descrie condițiile necesare cailor căilor microscopice să se conecteze și să formeze canale la scară mai mare, permițând astfel curgerea fluidului în gheața marină coloană. [Vedeți Golden discutați despre Regula lui Fives și despre expedițiile sale din acest videoclip]

Este polenizarea încrucișată, a spus el, între câmpurile aparent disparate din știință și inginerie - structurile care par similare pot împărtăși, de asemenea, aceeași matematică. Dar la fel cum matematica sa aplică idei din alte domenii ale științei cercetării pe gheața marină, ideile pe care el și echipa sa le dezvoltă pentru gheața de mare pot fi aplicate și la materiale compozite similare din alte domenii.

„De exemplu, a spus el,„ cum să monitorizăm osteoporoza în osul uman, care se dovedește a fi extrem de aproape în structură de gheața de mare ”. Acest lucru se datorează faptului că osul este un material compozit, iar matematica dezvoltată prin cercetarea gheții marine, în special asupra modificărilor în microstructura gheții marine de-a lungul timpului, poate fi, de asemenea, folosită pentru a descrie modificările densității și structurii osoase.

„Și ceea ce am studiat ca matematician sunt proprietățile eficiente ale materialelor compozite”, a spus Golden. "Proprietățile electrice eficiente, proprietățile lor eficiente de transport de fluide, proprietățile lor eficiente de rezistență și așa mai departe." Toate acestea pot fi aplicate la structuri similare care sunt studiate sau dezvoltate în domenii ale științei și ingineriei, în afară de cercetarea gheții marine. [Făcând matematica pe topirea gheții polare de mare]

Răspunsurile curg la suprafață

Dar cere-i lui Golden să-și reducă fascinația cu gheața de mare la oasele ei goale și el o va rezuma într-un singur cuvânt: percolare. Aceasta este mișcarea apei în sus și în jos prin microstructura complexă a gheții. Percolarea este unul dintre mecanismele importante atât pentru creșterea gheții marine, cât și pentru topire și, prin urmare, este esențială atât pentru sănătatea și dispariția pachetului de gheață.

Gheața de mare începe adesea mică când apa îngheață în cristale minuscule de gheață care plutesc în apropierea suprafeței oceanului. Pe măsură ce stratul de gheață se îngroașă, cristale mai mari cresc în jos, unde cristale de gheață concurente care se lovesc unul pe celălalt se pot contopi sau se poate câștiga, cu conglomeratul care se va acumula în gheața de mare. Această gheață poate căpăta grosime pe măsură ce apa de sub ea continuă să înghețe în jos. De asemenea, crește prin acumularea de „gheață de zăpadă”, sau de gheață formată dintr-un amestec slab de precipitații și apă de mare, la suprafață.

Într-o lucrare publicată în Journal of Geophysical Research în 2008, Ted Maksym - atunci la British Antarctic Survey - și Thorsten Markus de la Centrul de zbor spațial Goddard al NASA au descoperit că în funcție de sezon, gheața de zăpadă poate reprezenta oriunde de la 23 până la 23 43% din grosimea totală a gheții. Zăpada este necesară pentru a forma vaste zone de nămol care acoperă gheața marină din Antarctica în timpul iernii, dar de unde provine componenta saramură a gheții de zăpadă?

Pătrunderea laterală a apei de mare la suprafață, unde zăpada cântărește gheața sub nivelul apei, inundând gheața din părți, ar însemna unele inundații de suprafață. Dar, o mare parte din apa de mare strălucitoare, a spus Golden, ar putea ieși la suprafață prin microstructura poroasă a gheții marine subiacente, amestecându-se cu precipitațiile de suprafață și înghețând în gheața de zăpadă.

Golden a fost martor la acest proces el însuși la 24 iulie 1994, în timpul expediției ANSFLUX (ANZFLUX), finanțată de NSF, în estul Mării Weddell. El a fost martorul apei care inunda suprafața gheții la baza stratului de zăpadă în timpul unei furtuni de zăpadă, care încălzea straturile superioare ale gheții, făcându-le permeabile la percolarea saramurii ascendente.

Un miez de gheață preluat din gheața mării arctice arată unde buzunarele de saramură s-au conectat pentru a forma canale, cu o cale vizibilă distinctă la mijloc. Canalele și căile ca acestea permit ca apa de mare sau apa topită proaspătă să se deplaseze sau să se percoleze prin gheața de mare.

Un miez de gheață preluat din gheața mării arctice arată unde buzunarele de saramură s-au conectat pentru a forma canale, cu o cale vizibilă distinctă la mijloc. Canalele și căile ca acestea permit ca apa de mare sau apa topită proaspătă să se deplaseze sau să se percoleze prin gheața de mare.

Gheața de mare ca habitat

Percolarea aduce, de asemenea, nutrienți vitali din ocean, ajutând la susținerea algelor care trăiesc în incluziunile saramurii. Și deși sună ca aceste alge sunt izolate în gheață de ecosistemul marin, nu este cazul.

Pe gheața de mare de pe Barrow, Alaska, ecologul marin al Universității Columbia, Craig Aumack, un alt om de știință finanțat de NSF, cercetează cum algele care trăiesc în gheața de mare se leagă de ecosistemul marin din jur. El a spus că algele încep să înflorească când temperaturile se încălzesc primăvara.

"Apoi, pe măsură ce zăpada se topește complet", adaugă el, "încep să obțină multă și multă lumină [și] migrează în jos până la fundul gheții, și apoi lasă în cele din urmă gheața [și intră] în coloana de apă.“ Acolo devin alimente pentru mâncătorii de alge care, la rândul lor, contribuie la ciclul alimentar mai mare din ocean.

Algele care locuiesc pe gheață au sculptat o existență precară în gheața mării, bazându-se, a spus Golden, pe percolarea nutrienților care provin din ocean prin microstructura poroasă a gheții marine. Dar dacă lichidul se percolează prin gheață depinde de un echilibru delicat al temperaturii și al salinității în interiorul gheții în sine. Înclinați echilibrul în acest fel sau în așa fel, iar percolarea nu are loc.

De gheață și electromagnetism

Percolarea apare atunci când gheața devine suficient de permeabilă, dar condițiile în care gheața marină coloană devine permeabilă diferă de cele pentru gheața marină granulară. Acest lucru se datorează faptului că modul în care se distribuie buzunarele microscopice cu saramură în gheața marină coloană este diferit de modul în care sunt aranjate în gheața mare granulară. Amplificându-se și mai mult în microstructura gheții, gheața marină coloară și granulară are structuri policristaline diferite, ceea ce înseamnă că proprietățile lor electromagnetice diferă și ele.

În lucrările recente apărute pe coperta din 8 februarie 2015, ediția Proceedings of the Royal Society of London A, Golden și colegii săi au adaptat o teorie matematică sofisticată într-o nouă metodă de analiză a materialelor policristaline precum roci, ceramică, metale și gheață. Au obținut relații matematice riguroase între proprietățile electromagnetice ale diferitelor structuri policristaline și date statistice cu privire la modul în care sunt orientate cristalele acestor structuri - direcția spre care se orientează, de exemplu. Rezultatele ar putea fi apoi utilizate, de exemplu, pentru a face distincția între gheața marină coloară și granulară folosind doar date electromagnetice în vrac.

Deși o mare parte din această lucrare este în mare parte matematică în natură, acesta a fost deja aplicat pe gheața de mare și ar putea fi utilizat în cele din urmă la fabricarea industrială a structurilor policristaline adaptate. Materialele cu greutate specifică, rezistență la tracțiune, electromagnetice sau proprietăți termice ar putea fi realizate pentru a putea aplica aplicații de la aeronautică la construcție, doar prin adaptarea orientărilor cristalelor în procesul de fabricație.

O crustă subțire de zăpadă ascunde gheața în diferite etape de topire și re-îngheț. Temperatura și salinitatea gheții mării sunt esențiale pentru a determina dacă va avea loc sau nu percolarea.

O crustă subțire de zăpadă ascunde gheața în diferite etape de topire și re-îngheț. Temperatura și salinitatea gheții mării sunt esențiale pentru a determina dacă va avea loc sau nu percolarea.

Pericolele de gheață - dincolo de alunecare

Nu doar algele trăiesc în mod precar. Golden și-a văzut cota de dezastre apropiate.

În 1998, a fost pe spargătorul de gheață australian Aurora Australis, aproximativ 12 ore în interiorul marginii de gheață din Antarctica, când alarma de incendiu a stins. Nu a fost un exercițiu. Un incendiu a făcut ravagii în camera motoarelor, flăcările au scăpat de sub control. Cel mai apropiat ajutor a fost, poate, la câteva zile distanță, cu nimic pentru kilometri decât apă și gheață.

Toată lumea a fost chemată să strângă pe pupa, primul partener al navei cerând calm. Echipajul a început să se pregătească să coboare bărcile de salvare, pregătindu-se pentru cele mai rele.

În apele înghețate, vaste de lângă polul sudic al Pământului, focul poate fi la fel de dezastruos pe cât de îngrozitor: flăcări aprinse, pe de o parte, iar pe de altă parte, o evacuare riscantă în ape prea reci pentru supraviețuirea umană.

"Și la acel moment", și-a amintit Golden, "mă preocupă în mod deosebit. Cu toții suntem. Pentru că echipajul - aceștia erau oameni foarte profesioniști, extrem de talentați - erau foarte calmi în condiții de încercare. Dar puteți simți în vocea lor că aceasta a fost o situație foarte, foarte serioasă ".

Cât de departe este cea mai apropiată navă? Cât de repede ar fi în stare să salveze echipajul și pasagerii Aurora Australis dacă toți ar fi trebuit să abandoneze nava - în interiorul pachetului de gheață marină? Atâtea necunoscute, subliniind fiecare întrebarea de neatins: o vor face?

- Sunteți acolo, spuse Golden, și sunteți pe cont propriu.

Și orice decizie de urgență luată ar putea costa enorm, în proprietate sau în viețile omului. Echipajul care luptă împotriva incendiului a ieșit din camera motoarelor chiar înainte de o explozie să treacă prin el. Ca un efort din ultima șanț pentru salvarea navei, căpitanul a dislocat gaz Halon - toxic pentru oameni - pentru a sufla flăcările. Și a funcționat.

Norocul a fost de partea lor și nu s-au pierdut vieți în acea zi. Toată lumea a scăpat cu nimic mai rău decât o mare spaimă.

În căldura și siguranța biroului său de la Universitatea din Utah, Golden locuiește confortabil pe acea experiență terifiantă.

"Am fost practic cinci zile. Primele două zile fără putere, fără toalete sau ceva de genul acesta. Deci, cu siguranță, aceasta a fost o experiență destul de îngrozitoare, fiind în această situație."

Goldenul a spus că speră să-l transmită prin munca sa prin explorarea cunoștințelor științifice. La universitate lucrează cu studenți care vor să-și facă propriile piese în gheață polară. Mulți urmăresc Golden până la poli ai Pământului pentru lucrări de teren în domeniile lor de studiu.

Dacă sunteți un expert de actualitate - cercetător, lider de afaceri, autor sau inovator - și doriți să contribuiți la o piesă op, editați-ne aici.

Dacă sunteți un expert de actualitate - cercetător, lider de afaceri, autor sau inovator - și doriți să contribuiți la o piesă op, editați-ne aici.

Vizionând Golden demonstrează un exercițiu cu miez de gheață lung de un metru pentru câțiva studenți, este ușor de observat că el este la fel de mult acasă aici, cât este pe gheață, inspirând elevii dintr-o serie de discipline: inginerie mecanică, bioinginerie, inginerie electrică, fizică și chimie, pentru a numi doar câteva.

"Cred, în cele din urmă, ceea ce ne-ar plăcea cu adevărat să facem este să aducem mai multe persoane în matematică și să arătăm cum este matematica într-adevăr sistemul de operare al științei și ingineriei", a spus Golden.

"Având în vedere rolul pe care matematica îl joacă ca limbaj universal care unifică științele naturii, nu este surprinzător faptul că matematica și aplicațiile sale joacă un rol atât de important și fundamental în atâtea discipline", a spus directorul de program, Victor Roytburd, al Diviziei de Științe Matematice a NSF. "Opera lui Ken Golden este un exemplu de manual în aplicarea matematicii pentru înțelegerea fenomenelor naturale complexe. Într-un caz tipic, deși legile fizice de bază care guvernează evenimentele elementare în creșterea și degradarea gheții marine sunt destul de clare, înțelegând interacțiunile complexe ale astfel de evenimente pe multe scări necesită o înțelegere a modului în care acestea se joacă simultan. Lucrarea lui Golden contribuie la idei neprețuite pentru înțelegerea și poate gestiona viața și evoluția gheții marine.

Ce înseamnă această încercare de a înțelege gheața de mare pentru pinguini curioși din Antarctica? S-ar putea că în curând se vor freca de aripi doar cu mulți cercetători cioplind pe gheața de mare sub lumina soarelui polar. Aici, matematica naturii și comportamentului structurilor și materialelor compuse se află chiar sub suprafață.

Urmăriți toate problemele și dezbaterile Expert Voices - și deveniți parte a discuției - pe Facebook, Twitter și Google+. Opiniile exprimate sunt cele ale autorului și nu reflectă neapărat opiniile editorului. Această versiune a articolului a fost publicată inițial pe WordsSideKick.com.






Descoperiri Științifice

Cercetare


Science News


Cum Funcționează Giroscopii
Cum Funcționează Giroscopii

Eclipsa Solară De Astăzi: Întrebări Frecvente
Eclipsa Solară De Astăzi: Întrebări Frecvente

Robotul „Exosuit” Face Ridicarea Grea
Robotul „Exosuit” Face Ridicarea Grea

Imagini: Leopardi De Zăpadă Și Creaturi Montane Din Tadjikistanul Sălbatic
Imagini: Leopardi De Zăpadă Și Creaturi Montane Din Tadjikistanul Sălbatic

Jurnalul Antic Care Documentează Construcția Marii Piramide A Fost Dezvăluit
Jurnalul Antic Care Documentează Construcția Marii Piramide A Fost Dezvăluit


RO.WordsSideKick.com
Toate Drepturile Rezervate!
Reproducerea Oricăror Materiale Permise Prostanovkoy Doar Link-Ul Activ La Site-Ul RO.WordsSideKick.com

© 2005–2020 RO.WordsSideKick.com