Полярный Лед Может Содержать Секреты Футуристических Материалов (Видео)

{h1}

Как и дорогое углеродное волокно, морской лед имеет сложную композитную структуру, которую математики недавно расшифровали, и результаты вдохновляют на все: от концепций новых материалов до лучшего понимания того, как теплый климат плавит полярный лед

Амина Хан - мультимедийный продюсер Национального научного фонда США (NSF). Она внесла эту статью в WordsSideKick.com's Эксперт Голоса: Op-Ed & Insights.

Что возбуждает любопытство пингвина? Для нескольких любопытных птиц это был математик Кен Голден, буравший керны из морского льда Антарктики. Голден был в 17 экспедициях в Арктику и Антарктику в течение своей карьеры, дразня уникальные структуры льда. Понимание структуры морского льда может показать не только скорость таяния морского льда и влияние на климат от сокращения полярных ледяных шапок, но и подсказки для лучшего понимания композитных материалов, таких как человеческая кость, или поликристаллических сред, таких как камни и металлы. о том, как кристаллы льда и рассол переплетаются в микроструктуре морского льда.

«Морской лед - очень сложная система», - сказал Голден, который изучал его не понаслышке со времени своей первой экспедиции в Антарктику в 1980 году. «Когда вы отправитесь туда, - сказал он, - вы увидите, как он взаимодействует с океаном, как он взаимодействует с волнами, с атмосферой ".

Лед, залитый рассолом

Взаимодействие между морским льдом и его окружающей средой резко меняет лед и его поведение. Это главным образом потому, что морской лед, хотя он и выглядит просто как твердый лед, на самом деле представляет собой композитный материал, просто означает, что он состоит из более чем одного ингредиента.

Морской лед в основном образует две отчетливые структуры: столбчатый морской лед, более распространенный в Арктике, состоит из вертикально ориентированных кристаллов, застрявших в чрезвычайно тесных кварталах, с крошечными карманами рассола, заполняющими субмиллиметровые закоулки и трещины между чистыми ледяными пластинками, которые конгломерируют составить каждый столбчатый кристалл.

Второй тип, гранулированный морской лед, чаще встречается в Антарктике и является более тонким и более зернистым по своей поликристаллической структуре. Хотя оба типа морского льда состоят из кристаллов льда и рассола, их микроструктура и свойства потока жидкости существенно различаются. И Голден остро заинтересован в исследовании и описании этих свойств с помощью своей математики.

Кен Голден в резиновой одежде заходит в ледяные арктические воды, чтобы измерить глубину этого расплавленного пруда. Понимание того, как условия окружающей среды, такие как температура и поступающая солнечная радиация, влияют на перколяцию или движение воды вверх и вниз по морскому льду, может помочь ученым лучше предсказать, как морской лед может реагировать на изменения в окружающей среде.

Кен Голден в резиновой одежде заходит в ледяные арктические воды, чтобы измерить глубину этого талого пруда. Понимание того, как условия окружающей среды, такие как температура и поступающая солнечная радиация, влияют на перколяцию или движение воды вверх и вниз по морскому льду, может помочь ученым лучше предсказать, как морской лед может реагировать на изменения в окружающей среде.

Предоставлено: Дон Перович

Stealth Insights

При поддержке NSF Голден занимается изучением композиционных материалов и структуры морского льда с 1984 года, когда он был докторантом NSF по математическим наукам по математической физике в Университете Ратгерса в Нью-Джерси. В начале своей работы он заметил, насколько пористо похожа пористая микроструктура морского льда на другие композитные материалы, такие как скрытые радиопоглощающие материалы.

«Это напомнило мне о так называемых микроструктурах сжатого порошка, где у вас большие полимерные сферы и маленькие металлические частицы, а затем эти микроструктуры сжимаются, образуя матрицу из изоляционного полимерного материала с проводящими включениями», - сказал он. В этих микроструктурах проводящие частицы образуют взаимосвязанные электрические пути вокруг частиц изоляционного полимера, так же как микроскопические включения рассола в морском льде могут соединяться, образуя соленые пути вокруг кристаллов твердого льда.

Голден использовал математику, уже разработанную для описания порога критического объема или процентного содержания проводящих частиц, необходимых для получения длинных электрических путей и скрытых возможностей в сжатых порошках. Затем он применил модель сжатого порошка к микроструктурным и текучим свойствам морского льда.

Исходя из этого, он разработал свое «Правило пятерок», в котором описаны условия, необходимые для соединения микроскопических путей рассола и формирования более крупных каналов, что позволяет потоку жидкости в столбчатом морском льду. [См. Голден обсуждает его Правило Пятерок и его экспедиции в этом видео]

Это перекрестное опыление, сказал он, между явно несопоставимыми областями в науке и технике - структуры, которые кажутся похожими, могут также иметь общую математическую основу. Но так же, как его математика применяет идеи из других областей науки к исследованию морского льда, идеи, которые он и его команда развивают для морского льда, могут также применяться к аналогичным композитным материалам в других областях.

«Например, - сказал он, - как контролировать остеопороз в костях человека, который оказывается очень близким по структуре к морскому льду». Это связано с тем, что кость является композитным материалом, и математика, разработанная в результате исследований морского льда, в частности изменений микроструктуры морского льда с течением времени, также может быть использована для описания изменений плотности и структуры кости.

«И то, что я изучал как математик, - это эффективные свойства композиционных материалов», - сказал Голден. «Их эффективные электрические свойства, их эффективные свойства переноса жидкости, их эффективные прочностные свойства и так далее». Все это может быть применено к аналогичным структурам, которые изучаются или разрабатываются в областях науки и техники, помимо исследований морского льда. [Делать математику на полярном море ледяного таяния]

Ответы текут на поверхность

Но попросите Голдена свести его увлечение морским льдом к его голым костям, и он подытожит это одним словом: просачивание. Это движение воды вверх и вниз через сложную микроструктуру льда. Перколяция является одним из механизмов, важных как для роста, так и таяния морского льда, и поэтому имеет важное значение как для здоровья, так и для разрушения ледяного покрова.

Морской лед часто начинается с малого, когда вода замерзает в крошечные кристаллы льда, плавающие у поверхности океана. По мере того, как слой льда сгущается, крупные кристаллы растут вниз, где конкурирующие ледяные кристаллы, сталкивающиеся друг с другом, могут слиться или победить, при этом конгломерат в конечном итоге нарастает в морской лед. Этот лед может набирать толщину, так как вода под ним продолжает замерзать вниз. Он также растет за счет накопления на поверхности "снежного льда" или льда, образовавшегося из слякотной смеси осадков и морской воды.

В документе, опубликованном в «Журнале геофизических исследований» в 2008 году, Тед Максим - тогда в Британской антарктической службе - и Торстен Маркус из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА обнаружили, что в зависимости от сезона снежный лед может составлять от 23 до 43 процента от общей толщины льда. Снегопад необходим для формирования обширных районов слякоти, покрывающих морской лед Антарктики зимой, но откуда берется рассольный компонент снежного льда?

Боковое проникновение морской воды на поверхность, где снег отягощает лед ниже уровня воды, затопляя лед с боков, будет причиной некоторого поверхностного затопления. Но большая часть соленой морской воды, по словам Голден, может подниматься на поверхность через пористую микроструктуру нижележащего морского льда, смешиваться с поверхностными осадками и замерзать в снежный лед.

Голден был свидетелем этого процесса 24 июля 1994 года, во время экспедиции по исследованию потока Антарктической зоны (ANZFLUX), финансируемой НФС, в восточное море Уэдделла. Он был свидетелем того, как вода затопила поверхность льда у основания снежного слоя во время снежной бури, которая нагревала верхние слои льда, делая их проницаемыми для просачивания рассола вверх.

Ледяное ядро, взятое из арктического морского льда, показывает, где карманы с рассолом соединяются, образуя каналы, с отчетливо видимым проходом в середине. Каналы и пути, подобные этим, позволяют морской воде или пресной талой воде перемещаться или просачиваться через морской лед.

Ледяное ядро, взятое из арктического морского льда, показывает, где карманы с рассолом соединяются, образуя каналы, с отчетливо видимым проходом в середине. Каналы и пути, подобные этим, позволяют морской воде или пресной талой воде перемещаться или просачиваться через морской лед.

Кредит: Кен Голден

Морской лед как среда обитания

Перколяция также выводит жизненно важные питательные вещества из океана, помогая поддерживать водоросли, которые живут в рассолах. И хотя кажется, что эти водоросли изолированы внутри льда от более крупной морской экосистемы, это не так.

На морском льду у Барроу, штат Аляска, морской эколог Колумбийского университета Крейг Аумак, еще один ученый, финансируемый НФС, исследует, как водоросли, живущие в морском льду, связывают окружающую морскую экосистему. Он сказал, что водоросли начинают цвести, когда температура прогревается весной.

«Затем, когда снег полностью тает, - добавляет он, - они начинают получать много-много света, [и] они спускаются на дно льда, а затем в конечном итоге покидают лед [и входят] в толщу воды. «. Вот где они становятся пищей для едоков водорослей, которые, в свою очередь, способствуют увеличению пищевого цикла в океане.

Живущие во льду морские водоросли образовали ненадежное существование внутри морского льда, полагая, по словам Голдена, на просачивание питательных веществ, которые выходят из океана через пористую микроструктуру морского льда. Но то, проникает ли жидкость через лед, зависит от тонкого баланса температуры и солености в самом льду. Наклоните баланс так или иначе, и перколяция не происходит.

Льда и электромагнетизм

Перколяция происходит, когда лед становится достаточно проницаемым, но условия, при которых столбчатый морской лед становится проницаемым, отличаются от условий для гранулированного морского льда. Это связано с тем, что микроскопические карманы для рассола распределены в столбчатом морском льде и отличаются от того, как они расположены в гранулированном морском льду. При увеличении масштаба микроструктуры льда столбчатый и зернистый морской лед имеют разные поликристаллические структуры, что означает, что их электромагнитные свойства также различаются.

В недавней работе, опубликованной на обложке от 8 февраля 2015 года, в журнале «Труды Королевского общества Лондона А», Голден и его коллеги адаптировали сложную математическую теорию к новому методу анализа поликристаллических материалов, таких как камни, керамика, металлы. и лед. Они получили строгие математические связи между электромагнитными свойствами различных поликристаллических структур и статистическими данными о том, как ориентированы кристаллы этих структур - например, в каком направлении они указывают. Результаты можно затем использовать, например, для различения столбчатого и гранулированного морского льда с использованием только объемных электромагнитных данных.

Хотя большая часть этой работы в основном носит математический характер, он уже был применен к морскому льду и в конечном итоге может быть использован при промышленном производстве специально разработанных поликристаллических структур. Материалы с определенным весом, прочностью на растяжение, электромагнитными или термическими свойствами потенциально могут быть изготовлены на заказ для применений, начиная от воздухоплавания и заканчивая конструкцией, просто путем адаптации ориентации кристаллов в процессе производства.

Тонкая корка снега скрывает морской лед на разных этапах таяния и повторного замерзания. Температура и соленость морского льда имеют решающее значение для определения того, произойдет ли перколяция.

Тонкая корка снега скрывает морской лед на разных этапах таяния и повторного замерзания. Температура и соленость морского льда имеют решающее значение для определения того, произойдет ли перколяция.

Кредит: Кен Голден

Опасность льда - не подскользнуться

Не только водоросли живут ненадежно. Голден видел свою долю близких к бедствиям.

В 1998 году он находился на австралийском ледоколе Aurora Australis, примерно в 12 часах у кромки льда в Антарктиде, когда сработала пожарная сигнализация. Это была не тренировка. В машинном отделении бушевал огонь, пламя вышло из-под контроля. Ближайшая помощь была, возможно, через несколько дней, за считанные мили, кроме воды и льда.

Все были призваны на корму, первый помощник корабля призывал к спокойствию. Экипаж начал готовиться к спуску спасательных шлюпок, готовясь к худшему.

В ледяных, обширных водах у южного полюса Земли огонь может быть настолько же катастрофическим, насколько и ужасающим: пламенное пламя, с одной стороны, и с другой, рискованная эвакуация в водах, слишком холодных для выживания человека.

«И в этот момент, - вспоминает Голден, - я особенно обеспокоен. Все мы. Потому что команда - это были очень профессиональные, чрезвычайно талантливые люди - были очень спокойны в тяжелых условиях. Но вы могли почувствовать их голос». что это была очень, очень серьезная ситуация ".

Как далеко находится ближайший корабль? Как быстро он сможет спасти экипаж и пассажиров Aurora Australis, если им всем придется покинуть корабль - внутри морского ледяного покрова? Так много неизвестных, каждый из которых подчеркивает не заданный вопрос: сделают ли они это?

«Ты там, - сказала Голден, - и ты сам по себе».

И любые экстренные решения могут стоить огромных средств, как в виде имущества, так и в виде человеческих жизней. Экипаж, борющийся с огнем, вышел из машинного отделения незадолго до того, как сквозь него разорвался взрыв. В качестве последней попытки спасти корабль, капитан применил газ галон - токсичный для человека - чтобы задушить пламя. И это сработало.

Удача была на их стороне, и в этот день не было потеряно ни одной жизни. Все спаслись ничем не хуже страшной паники.

В тепле и безопасности своего офиса в Университете Юты, Голден комфортно останавливается на этом ужасающем опыте.

«Мы были там в основном пять дней. Первые два дня без электричества, без туалетов или чего-то в этом роде. Так что, находясь в такой ситуации, это был довольно мучительный опыт».

Именно этот дух исследования в поиске научных знаний, по словам Голден, он надеется передать через свою работу. В университете он работает со студентами, которые хотят делать собственные треки на полярном льду. Многие следуют за Золотым до полюсов Земли для полевых работ в своих областях изучения.

Если вы являетесь экспертом по темам - исследователем, лидером бизнеса, автором или новатором - и хотели бы внести свой отзыв, напишите нам здесь.

Если вы являетесь экспертом по темам - исследователем, лидером бизнеса, автором или новатором - и хотели бы внести свой отзыв, напишите нам здесь.

Наблюдая за тем, как Голден демонстрирует метровую ледовую тренировку для пары студентов, легко увидеть, что он здесь как дома, так и на льду, вдохновляя студентов из ряда дисциплин: машиностроение, биоинженерия, электротехника, физика и химия и многие другие.

«Я думаю, что в конечном итоге нам бы очень хотелось привлечь больше людей к математике и показать, как математика является действующей системой науки и техники», - сказал Голден.

«Принимая во внимание роль, которую математика играет как универсальный язык, объединяющий естественные науки, неудивительно, что математика и ее приложения играют столь важную и фундаментальную роль во многих дисциплинах», - сказал программный директор Виктор Ройтбурд из Отдела математических наук NSF. «Работа Кена Голдена - учебный пример применения математики для понимания сложных природных явлений. В типичном случае, хотя основные физические законы, которые управляют элементарными событиями в росте и разрушении морского льда, довольно ясны, понимая сложные взаимодействия такие события во многих масштабах требуют понимания того, как они играют одновременно. Работа Голдена вносит неоценимый вклад в понимание и, возможно, управление жизнью и развитием морского льда ».

Что означает это стремление понять морской лед для любопытных пингвинов в Антарктике? Вскоре они могут потереть крылья, потому что гораздо больше исследователей разлетаются по морскому льду под светом полярного солнца. Здесь математика природы и поведения композитных структур и материалов лежит прямо под поверхностью.

Следите за всеми вопросами и дебатами Expert Voices и станьте частью дискуссии на Facebook, Twitter и Google+. Выраженные взгляды принадлежат автору и не обязательно отражают взгляды издателя. Эта версия статьи была первоначально опубликована на WordsSideKick.com.





RU.WordsSideKick.com
Все права защищены!
Перепечатка материалов разрешена только с простановкой активной ссылки на сайт RU.WordsSideKick.com

© 2005–2020 RU.WordsSideKick.com