Polar Ice Saattaa Pitää Salaisia ​​Materiaaleja (Video)

{h1}

Aivan kuten kalliilla hiilikuiduilla meriohalla on monimutkainen komposiittirakenne, jonka matemaatikot hiljattain tulkitsivat ja tulokset antavat inspiraatiota kaikesta uusien materiaalien käsitteistä paremmin käsittelemään lämpenemisen ilmapiirin sulaessa polaarista ic

Amina Khan on Yhdysvaltain kansallisen tiedesäätiön (NSF) multimediayritys. Hän antoi tämän artikkelin WordsSideKick.com's: lle Asiantuntijat: Op-Ed & Insights.

Mikä piivia pingviinin uteliaisuudelle? Muutama utelias linnut ovat olleet matemaatikko Ken Goldenin porausydintä Etelämantereen merijäästä. Golden on ollut 17 arktisen ja antarktisen retkellä uransa aikana kiusannut jään ainutlaatuiset rakenteet. Merijäämän rakenteen ymmärtäminen voi paljastaa paitsi, kuinka nopeasti merijää sulaa ja ilmastovaikutus kutistuu jääkarhuista, mutta myös antaa vihjeitä paremman ymmärryksen saavuttamiseksi komposiittimateriaaleista - kuten ihmiskudoksesta tai monikiteisistä materiaaleista kuten kiviä ja metalleja miten jääkiteet ja suolavesi sekoittuvat merijään mikrorakenteeseen.

"Merijäätä on hyvin monimutkainen järjestelmä", Golden sanoi, joka on opiskellut sitä ensimäisenä ensimmäisen retkikuntaansa Etelämantereelle lähtien vuonna 1980. "Kun menet sinne," hän sanoi, "näet, miten se vuorovaikuttaa meren kanssa, miten se vuorovaikuttaa aaltojen kanssa ilmakehään. "

Jäädytetty suolavedellä

Merijään ja sen ympäristön väliset vuorovaikutukset muuttavat dramaattisesti jään ja miten se käyttäytyy. Tämä johtuu pääasiassa siitä, että merijää, vaikka se näyttää olevan vain kiinteä jäätä, on itse asiassa komposiittimateriaali, yksinkertaisesti sillä tarkoitetaan, että se koostuu useammasta ainesosasta.

Merijääntä muodostuu useimmiten kahdesta erillisestä rakenteesta: Arktisella alueella yleisempi kolonnallinen merijää koostuu pystysuuntaisista kiteistä, jotka on juuttunut äärimmäisen lähellä olevaan neljännekseen, ja pienet suolavedetaskut täyttävät submillimetristen nurkkojen ja kallioiden väliset puhtaat jäähiutaleet, jotka muodostavat ryhmittymän muodostamaan kukin pylväskide.

Toinen tyyppi, rakeinen merijää, tavataan yleisemmin Etelämantereella ja se on hienompaa ja rakeisempia monikiteisessä rakenteessaan. Vaikka molemmat merijäämät koostuvat jääkiteistä ja suolavedestä, niiden mikrorakenne ja nestevirtausominaisuudet vaihtelevat huomattavasti. Ja Golden on kiinnostunut tutkimaan ja kuvaamaan näitä ominaisuuksia matematiikansa kautta.

Kumiin sopiva Ken Golden kulkee jäisten arktisten vesien mittaamiseen tämän sulatelan syvyyden mittaamiseksi. Ymmärtäminen, miten ympäristöolosuhteet, kuten lämpötila ja tulevan auringon säteily vaikuttavat perkolaatioon tai veden liikkumiseen merijään yli ja alas, auttaisivat tutkijoita paremmin ennakoimaan, miten merijää voisi reagoida ympäristön muutoksiin.

Kumiin sopiva Ken Golden kulkee jäisten arktisten vesien mittaamiseen tämän sulatelan syvyyden mittaamiseksi. Ymmärtäminen, miten ympäristöolosuhteet, kuten lämpötila ja tulevan auringon säteily vaikuttavat perkolaatioon tai veden liikkumiseen merijään yli ja alas, auttaisivat tutkijoita paremmin ennakoimaan, miten merijää voisi reagoida ympäristön muutoksiin.

Luottamus: Don Perovich

Stealth-näkemyksiä

NSF: n tuella Golden on tutkinut komposiittimateriaaleja ja merijäänrakennetta vuodesta 1984 lähtien, kun hän oli matematiikan fysiikan NSF matemaattisten tieteiden tutkijatohtori Rutgers Universityssä New Jerseyssä. Hänen työnsä aikaisessa vaiheessa hän huomasi, kuinka merihillan huokoinen mikrorakenne on samanlainen kuin muille komposiittimateriaaleille, kuten varkauden tutka-aineita absorboiville materiaaleille.

"Se muistutti minua siitä, mitä kutsutaan puristetuiksi jauheiksi mikrorakenteiksi, joissa sinulla on suuret polymeeripallot ja pienet metallihiukkaset, ja sitten nämä mikrorakenteet puristuvat alaspäin muodostaen eristävän polymeeri-isännän matriisin, jossa on johtavat sulkeumat", hän sanoi. Näissä mikrorakenteissa johtavat hiukkaset muodostavat toisiinsa kytketyt sähköiset reitit eristyspolymeeripartikkeleiden ympärille, aivan kuten mikroskooppiset suolavesi-inkluuvit merijään yhteydessä voivat muodostaa kiiltäviä jääkiteitä ympäröivien kiiltävien reittien.

Kultainen matemaattinen matematiikka, joka on jo suunniteltu kuvaamaan kriittinen tilavuuskynnys tai tilavuusprosentti, johtavien hiukkasten johtaminen vaadittaessa pitkällä sähköisellä reitillä ja stealth-ominaisuuksilla puristetuissa jauheissa. Sitten hän sovelsi puristettua jauhemaista mallia merijään mikrorakenteisiin ja nestevirtausominaisuuksiin.

Tästä hän kehitti Fifin sääntöä, jossa kuvataan olosuhteet, joita tarvitaan mikroskooppisten suolavesireittien muodostamiseksi ja suurempien mittakaavojen muodostamiseksi, mikä mahdollistaa fluidivirtauksen pylväsjäässä. [Katso Golden keskustele hänen ääreenään ja hänen retkistään tässä videossa]

Se on ristipölytys, hän sanoi, ilmeisesti eri kenttien välillä tieteen ja tekniikan - rakenteet, jotka näyttävät samanlaisilta, voivat myös jakaa saman perustan matematiikan. Mutta aivan kuten hänen matematiikansa perehtyy ideoista muilta tieteenaloilta merijäätutkimukseen, hän ja hänen tiiminsä kehittämä ajatus merijäälle voidaan soveltaa myös muilla aloilla käytettäviin vastaaviin komposiittimateriaaleihin.

"Esimerkiksi," hän sanoi, "miten seurata osteoporoosia ihmisen luussa, mikä osoittautuu erittäin lähellä rakenne merijään." Tämä johtuu siitä, että luu on komposiittimateriaali, ja merijäätutkimuksen avulla kehitetty matematiikka, erityisesti merijäämän mikrorakenteen muutokset ajan myötä, voidaan käyttää myös kuvaamaan luun tiheyden ja rakenteen muutoksia.

"Ja mitä olen opiskellut matemaatikkona on yhdistettyjen materiaalien tehokas ominaisuus", sanoi Golden. "Niiden tehokkaat sähköiset ominaisuudet, niiden tehokas nesteensiirtokyky, niiden tehokas lujuusominaisuudet ja niin edelleen". Kaikki nämä voidaan soveltaa samanlaisiin rakenteisiin, joita tutkitaan tai kehitetään tieteen ja tekniikan aloilla merijäätutkimuksen lisäksi. [Matematiikan tekeminen Polar Sea Ice Melt]

Vastaukset virtaavat pinnalle

Mutta pyydä Goldenia vähentämään merijäämäänsä paljastuneita luita, ja hän tiivistää sen yhdellä sanalla: perkolaation. Se on veden liikkumista ylös ja alas jäätä monimutkaisen mikrorakenteen läpi. Sekoitus on yksi mekanismeista, jotka ovat tärkeitä sekä merijään kasvulle että sulatukselle, ja siksi on välttämätöntä sekä jääpalakunnan terveydelle että kuolemiselle.

Merijääkäri alkaa usein pieneksi, kun vesi jäätyy pieniin jääkiteisiin, jotka kelluvat lähellä valtameren pintaa. Kun jääkerros sakeutuu, suuremmat kiteet kasvavat alaspäin, jolloin kilpailevat jääkiteet kumpuavat toisiinsa saattavat sulautua tai jäädä ulos, kun konglomeraatti lopulta kasaantuu merijään. Tämä jää voi saada paksua, koska veden alla jäähtyy edelleen alaspäin. Se kasvaa myös "lumihiutan" kerääntymisen, tai pinnalla muodostuneen jäästä, joka on muodostunut mäkistä saostuksesta ja merivedestä.

Vuoden 2008 Journal of Geophysical Research -lehdessä julkaistussa artikkelissa Ted Maksym - sitten British Antarctic Survey - ja NASA Goddard Space Flight Centerin Thorsten Markus totesivat, että lumilauta voi kauden mukaan olla missä tahansa 23: stä 43 prosenttia koko jään paksuudesta. Lumisade on välttämätöntä muodostaa suuret alueet, joilla lunta kattaa Etelämantereen merijää talvella, mutta missä oli lumen jään suolaveden komponentti?

Pinnalla oleva meriveden sivuttainen tunkeutuminen, jossa lumi punnitsee jäätä alas vedenpinnan alapuolelle, tulvista jäätä sivuilta, aiheuttaisi jonkin verran pintavettä. Mutta suuri osa merivedestä, Golden sanoi, voi olla nousemassa pinnan läpi peräsuolen meriohon huokoisen mikrorakenteen kautta sekoittaen pinnan saostukseen ja jäädyttämällä lumihiiltä.

Golden todisti tämän prosessin itse 24. heinäkuuta 1994, NSF: n rahoittamassa Etelämantereen Zone Flux Experiment (ANZFLUX) -matkalle Itä-Weddell -merelle. Hän näki vettä, joka tulvii jään pinnalle lumikerroksen alapuolella lumen myrskyn aikana, joka lämmitti jään ylemmät kerrokset ja teki ne läpäiseviksi ylöspäin suolaliuoksen läpäisyyn.

Arktisesta merijäänäytteestä otettu jääydin osoittaa, missä suolaveden tasot ovat liittäneet kanavien muodostamiseen, ja keskellä on selvästi näkyvä reitti. Tällaiset kanavat ja reitit mahdollistavat meriveden tai tuoreen sulaveden liikkuvan tai läpäisevän merijään läpi.

Arktisesta merijäänäytteestä otettu jääydin osoittaa, missä suolaveden tasot ovat liittäneet kanavien muodostamiseen, ja keskellä on selvästi näkyvä reitti. Tällaiset kanavat ja reitit mahdollistavat meriveden tai tuoreen sulaveden liikkuvan tai läpäisevän merijään läpi.

Luottamus: Ken Golden

Merijäämä elinympäristönä

Puhallus tuo myös esiin tärkeitä ravinteita merestä, mikä auttaa ylläpitämään levät, jotka elävät suolaveden sulkeissa. Ja vaikka näyttää siltä, ​​että nämä levät ovat eristyksissä jäätä suuremman meriekosysteemin kautta, niin ei ole.

Merenkulun jäällä Barrow, Alaska, Columbia Universityn merenkulkujärjestö Craig Aumack, toinen NSF: n rahoittama tutkija, tutkii, miten meren jäällä elävät levät sitovat ympäröivään meriekosysteemiin. Hän sanoi levät alkavat kukkia, kun lämpötilat lämmenevät keväällä.

"Sitten, kun lumi sulaa kokonaan", hän lisää, "he alkavat saada paljon ja paljon valoa, ja he siirtyvät alas jään pohjalle ja lopulta jättävät jäätä [ja astuvat] vesipatsaaseen." Sieltä heistä tulee ruokaa leväkasveille, jotka vuorostaan ​​edistävät suurempaa ruokajaksoa meressä.

Jäätä levät levät ovat karhottaneet epävarman olemassaolon mereen jäässä, vedoten, Golden sanoi, perkolaatiosta ravintoaineista, jotka tulevat merestä merilevyn huokoisen mikrorakenteen kautta. Mutta onko jään läpi virtaava neste riippuu herkästä lämpötilasta ja suolapitoisuudesta jään sisällä. Kallista tasapainoa tällä tavalla tai sitä, eikä perkoloita tapahdu.

Jäästä ja sähkömagneettisuudesta

Jakauma tapahtuu, kun jään on tarpeeksi läpäisevä, mutta olosuhteet, joissa pylväsmeren jäätä läpäisevä, poikkeavat rakeisesta merijäästä. Tämä johtuu siitä, että mikroskooppisten suolaveden taskujen jakautuminen pylväsmajoihin eroaa siitä, miten ne on järjestetty rakeiseen merijään. Jyrsimään jäämistörakenteeseen entisestään pilarilla ja rakeisella merijäällä on erilaiset monikiteiset rakenteet, mikä tarkoittaa, että niiden sähkömagneettiset ominaisuudet ovat myös erilaiset.

Golden Society of London A: n julkaisun 8. helmikuuta 2015 julkaisussa julkaistussa työssä Golden ja hänen kollegansa sopeuttivat hienostuneen matemaattisen teorian uuteen menetelmään monikiteisten materiaalien, kuten kivien, keraamien, metallien ja jäätä. He saivat tiukkoja matemaattisia suhteita eri monikiteisten rakenteiden sähkömagneettisten ominaisuuksien ja tilastotietojen välillä siitä, miten näiden rakenteiden kiteet ovat suuntautuneita - niiden suuntaan, johon he esimerkiksi viittaavat. Tuloksia voitaisiin sitten käyttää esimerkiksi erottamaan pylväs- ja rakeinen merijää käyttäen pelkkiä sähkömagneettisia tietoja.

Vaikka suuri osa tästä työstä on luonteeltaan lähinnä matemaattisia, sitä on jo sovellettu merijään, ja sitä voitaisiin viime kädessä käyttää räätälöityjen monikiteisten rakenteiden teollisessa valmistuksessa. Erityispainon, vetolujuuden, sähkömagneettisten tai lämpöominaisuuksien materiaaleja voitaisiin mahdollisesti järjestää sovelluksille, jotka vaihtelevat ilmailusta ja rakentamisesta, räätälöimällä kiteiden suuntaukset valmistusprosessissa.

Ohut kuori lumi piilottaa merijäätä eri sulatus- ja pakastusvaiheissa. Merijään lämpötila ja suolapitoisuus ovat kriittisiä sen määrittämisessä, syntyykö vaippausta vai ei.

Ohut kuori lumi piilottaa merijäätä eri sulatus- ja pakastusvaiheissa. Merijään lämpötila ja suolapitoisuus ovat kriittisiä sen määrittämisessä, syntyykö vaippausta vai ei.

Luottamus: Ken Golden

Järvien vaarat - liukumisen jälkeen

Se ei ole vain levät, jotka elävät epävarmasti. Golden on nähnyt hänen osuutensa lähellä olevista katastrofeista.

Vuonna 1998 hän oli australialainen jäänmurtaja Aurora Australis, noin 12 tuntia Etelämanteren jään reunalla, kun palohälytys poistui. Se ei ollut porata. Tulipalo kauhistui konehuoneessa, liekit ohi. Lähin apu oli ehkä päiviä pois, eikä mitään mailia vaan vettä ja jäätä.

Jokainen oli kutsuttu koota perään, aluksen ensimmäinen perämies, joka vaatii rauhallista. Miehistö alkoi valmistautua alentamaan pelastusveneet ja valmistautumaan pahimpaan.

Jäässä, valtavissa vesissä lähellä maapallon eteläistä napaa tulipalo voi olla yhtä tuhoisa kuin se on kauhistuttava: toisaalta tulinen liekki ja toisaalta vaarallinen evakuointi liian kylmässä vedessä ihmisen eloonjäämisessä.

"Ja tässä vaiheessa," Golden muistutti, "olen erityisen huolissani, me kaikki olemme, koska miehistö - nämä olivat erittäin ammattitaitoisia, erittäin lahjakkaita ihmisiä - olivat hyvin rauhallisia kokeilluissa olosuhteissa. että tämä oli erittäin vakava tilanne. "

Kuinka kauas on lähin alus? Kuinka nopeasti se voisi pelastaa Aurora Australisin miehistön ja matkustajat, jos he joutuisivat luopumaan aluksesta - merijääpakkauksen sisällä? Niin monet tuntemattomat, joista kukin korosti unasked kysymyksen: He tekisivät sen?

"Sinä olet siellä," Golden sanoi, "ja sinä olet itse."

Ja kaikki hätäapupäätökset saattavat maksaa valtavasti, omaisuudella tai ihmishenki. Tuli taisteleva miehistö lähti konehuoneesta juuri ennen kuin räjähdys kaatui sen läpi. Viimeisenä kehtona pelastaa alus, kapteeni asetti halon kaasua - myrkyllistä ihmisille - tukahduttamaan liekkejä. Ja se toimi.

Luck oli heidän puolellaan, eikä elämää hukkunut tuona päivänä. Kaikki pakenivat pahimmillaan kuin isku pelolla.

Hänen toimistonsa lämpöä ja turvallisuutta Utahissa sijaitsevassa yliopistossa kultainen asettuu mukavasti tähän kauhistuttavaan kokemukseen.

"Olemme olleet periaatteessa viisi päivää, kaksi ensimmäistä päivää ilman valtaa, ei vessoja tai muuta sellaista, joten se oli varmasti melko harvinainen kokemus, sillä se oli tässä tilanteessa."

Se on tämä tutkimustyön pyrkimys tieteelliseen tietoon, että Golden sanoi, että hän toivoo siirtävänsä työnsä läpi. Yliopistossa hän työskentelee opiskelijoiden kanssa, jotka haluavat tehdä omia kappaleitaan polarijäässä. Monet seuraavat kultaisia ​​maapallon napaajia kenttätöille heidän opinnoillaan.

Jos olet ajankohtainen asiantuntija - tutkija, yritysjohtaja, kirjailija tai innovaattori - ja haluaa osallistua op-ed pala, lähetä meille sähköpostia täällä.

Jos olet ajankohtainen asiantuntija - tutkija, yritysjohtaja, kirjailija tai innovaattori - ja haluaa osallistua op-ed pala, lähetä meille sähköpostia täällä.

Kultaisen näytön katsominen mittarilentokylpylälle muutamalle opiskelijalle on helppoa nähdä, että hän on yhtä paljon kotona kuin hän on jäällä, mikä innostaa opiskelijoita monilta eri aloilta: mekaniikka, biotekniikka, sähkötekniikka, fysiikka ja kemia, vain muutamia.

"Luulen, että viime kädessä haluamme todella tuoda enemmän ihmisiä matematiikkaan ja näyttää, kuinka matematiikka on todella tieteen ja tekniikan käyttöjärjestelmä", Golden sanoi.

"Kun otetaan huomioon matematiikan rooli universaalisena kielenä, joka yhdistää luonnontieteitä, ei ole yllättävää, että matematiikka ja sen sovellukset ovat niin tärkeitä ja perustavanlaatuisia roolissa monilla tieteenaloilla", kertoi NSF: n Matemaattisten tieteiden osaston johtaja Victor Roytburd. "Ken Goldenin työ on oppikirja esimerkki matematiikan soveltamisesta monimutkaisten luonnollisten ilmiöiden ymmärtämiseen. Tyypillisessä tapauksessa vaikka fyysiset peruslaskut, jotka ohjaavat alkutapahtumia merijään kasvussa ja hajoamisessa, ovat melko selkeitä, ymmärtävät monimutkaisten vuorovaikutusten Tällaiset tapahtumat monilla asteikolla edellyttävät käsitystä siitä, miten nämä pelaavat samanaikaisesti. Goldenin työ antaa arvokkaita näkemyksiä merijään elämän ymmärtämiseen ja ehkäpä hallintaan. "

Mitä tämä pyrkimys ymmärtää merijää tarkoittaa utelias pingviinit Etelämantereella? He saattavat pian löytää itsensä hieroen siipiä juuri sen verran, että monet tutkijat hakasivat pois merijäästä polaarisen auringon valossa. Tässä komposiittirakenteiden ja materiaalien luonteen ja käyttäytymisen matematiikka on juuri pinnan alapuolella.

Seuraa kaikkia asiantuntijaryhmiä koskevia kysymyksiä ja keskusteluja - ja voit liittyä keskusteluun - Facebookissa, Twitterissä ja Google+ -palvelussa. Näkemykset ovat tekijän näkemyksiä, eivät välttämättä vastaa julkaisijan näkemyksiä. Artikkelin tämä versio julkaistiin alun perin WordsSideKick.com -sivustolla.


Video Täydentää: David Godman - 2nd Buddha at the Gas Pump Interview.




FI.WordsSideKick.com
Kaikki Oikeudet Pidätetään!
Jäljentämistä Materiaalien Sallittu Vain Prostanovkoy Aktiivinen Linkki Sivustoon FI.WordsSideKick.com

© 2005–2019 FI.WordsSideKick.com