Polar Ice kann Geheimnisse des futuristischen Materialien (Video)

Amina Khan ist ein Multimedia-Produzent für die US National Science Foundation (NSF). Trug sie diesen Artikel, um Live Science Experten stimmen: Op-Ed & Einblicke.

Was ein Pinguin Neugier weckt? Ein paar neugierige Vögel seit Mathematiker Ken Golden Bohren von antarktische Meereis Kerne. Golden wurde auf 17 Expeditionen in die Arktis und Antarktis im Laufe seiner Karriere, Herausarbeitung der einzigartigen Eisstrukturen. Verständnis die Struktur des Meereises kann offenbaren nicht nur wie schnell Meereis schmilzt und das Klima beeinflussen schrumpft der polaren Eiskappen, sondern bieten auch Hinweise für besseres Verständnis Verbundwerkstoffe — wie menschliche Knochen oder polykristallinen Medien wie Felsen und Metallen – basierend auf wie Eiskristalle und Sole in der Mikrostruktur des Meereises verflechten.

"Meereis ist ein sehr kompliziertes System", sagte Golden, wer es aus erster Hand seit 1980 seine erste Expedition in die Antarktis, studiert hat. "Wenn man dort unten," sagte er, "Sie sehen, wie es mit dem Ozean interagiert Interaktion mit den Wellen, mit der Atmosphäre."

Eis, geschnürt mit Sole

Die Wechselwirkungen zwischen dem Meereis und seiner Umwelt verändern dramatisch das Eis und wie es sich verhält. Das ist vor allem, weil Meereis, obwohl es scheinbar nur festes Eis, ist eigentlich ein zusammengesetztes Material, was einfach bedeutet, dass es mehr als eine Zutat besteht.

Meereis bildet meist zwei unterschiedliche Strukturen: säulenförmige Meereis, häufiger in der Arktis, setzt sich aus vertikal ausgerichteten Kristalle eingeklemmt in extrem enge Viertel mit kleinen Taschen der Sole ausfüllen Submillimeter Ecken und Ritzen zwischen reinem Eis-Plättchen, das Konglomerat, um jeden säulenförmigen Kristall bilden.

Die zweite Art, granulare Meereis ist häufiger in der Antarktis gefunden und ist feiner und mehr grainlike in der polykristallinen Struktur. Obwohl beide Arten von Meereis von Eiskristallen und Sole hergestellt werden, unterscheiden sich ihre Mikrostruktur und Fluid-Flow Eigenschaften erheblich. Und Golden ist sehr bei der Recherche und beschreibt diese Eigenschaften durch seine Mathematik interessiert.

Stealth-Einblicke

Mit Unterstützung von NSF studiert Golden Verbundwerkstoffe und Meer Eisstruktur seit 1984, als er eine NSF mathematische Wissenschaften Postdoctoral Fellow in der mathematischen Physik an der Rutgers University in New Jersey war. Früh in seiner Arbeit bemerkte er, wie auffallend ähnliche poröse Mikrostruktur des Meereises in andere Verbundwerkstoffe wie Stealth-Radar-absorbierenden Materialien ist.

"Es erinnerte mich an die sogenannten komprimiert-Pulver Mikrostrukturen, wo man große Polymer Kugeln und kleinen Metallpartikeln, und dann die Mikrostrukturen bis in Form eine Matrix aus einem isolierenden Polymer host mit der Durchführung von Einschlüssen komprimiert sind," sagte er. In die Mikrostrukturen der leitenden Partikel bilden miteinander verbundenen elektrischen Wege rund um die isolierende Polymerpartikel, nur als mikroskopische Sole Einschlüsse im Meereis können Verbindung zum Form salzigen Wege rund um feste Eiskristalle.

Goldene verwendeten Mathematik bereits entwickelt, um kritisches Volumen Schwelle oder den Volumenanteil der Durchführung von Teilchen beschreiben erforderlich, um lange elektrische Bahnen und Stealth-Fähigkeiten in komprimierte Pulver zu erhalten. Er beantragte daraufhin die komprimierte Pulver-Modell die mikrostrukturellen und Fluid-Flow Eigenschaften des Meereises.

Daraus entwickelte er seine Regel von Fives, beschreibt die Voraussetzungen für eine mikroskopische Sole Wege verbinden sich und bilden größere Kanäle, wodurch die Flüssigkeitsströmung in säulenförmigen Meereis. [Siehe Golden seine Regel Fives und seinen Expeditionen in diesem Video diskutieren]

Es ist Fremdbestäubung, sagte er, zwischen scheinbar disparaten Felder in Wissenschaft und Technik – Strukturen, die ähneln können auch teilen die gleiche zugrunde liegende Mathematik. Aber genauso wie seine Mathematik für Meeresforschung Eis Ideen aus anderen Bereichen der Wissenschaft gilt, die Ideen, die er und sein Team für Meereis zu entwickeln können auch auf ähnliche Verbundwerkstoffe in anderen Bereichen angewendet werden.

"Zum Beispiel," sagte er, "wie man in menschlichen Knochen, Osteoporose, die entpuppt sich als extrem enge in Struktur, Meereis zu überwachen." Und zwar deshalb, weil Knochen ist ein zusammengesetztes Material, und die Mathematik entwickelt durch Meer Eis Forschung, speziell auf die Veränderungen in der Mikrostruktur des Meereises im Laufe der Zeit kann auch verwendet werden, um Veränderungen der Knochendichte und -Struktur zu beschreiben.

"Und was ich studiert habe, wie ein Mathematiker die wirksamen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen," sagte Golden. "ihre effektive elektrische Eigenschaften, ihre effektive Flüssigkeit Transporteigenschaften, ihre effektive Festigkeitseigenschaften und So weiter." All dies kann auf ähnliche Strukturen studiert oder in Bereichen der Wissenschaft und Technik neben Meer Eis Forschung entwickelt angewendet werden. [Dabei die Mathematik am Polarmeer Eisschmelze]

Antworten fließen an die Oberfläche

Aber bitte Golden, seine Faszination mit Meereis auf seiner nackten Knochen zu reduzieren, und er werde es in einem Wort zusammenfassen: Versickerung. Das ist die Bewegung des Wassers nach oben und unten durch das komplexe Gefüge des Eises. Versickerung ist einer der Mechanismen wichtig, Meer Eis Wachstum und schmelzen, und ist daher unerlässlich für die Gesundheit und der Niedergang der Eiskerze.

Meereis beginnt oft kleine, wenn Wasser gefriert, in winzigen Eiskristallen in der Nähe der Wasseroberfläche schweben. Da die Eisschicht verdichtet, wachsen größere Kristalle nach unten, wo konkurrierende Eiskristalle aneinander stoßen können verschmelzen, oder man kann siegen, mit der Mischkonzern schließlich in Meereis rekurrierende. Dieses Eis kann Stärke gewinnen, wie Wasser darunter weiterhin nach unten fixieren. Es wächst auch durch die Anhäufung von "Schnee-Eis", oder Eis gebildet aus einem matschigen Mix aus Niederschlag und Meerwasser auf der Oberfläche.

In einem Papier veröffentlicht im Journal of Geophysical Research 2008, Ted Maksym — dann an der British Antarctic Survey – und Thorsten Markus von der NASA Goddard Space Flight Center festgestellt, dass je nach Saison, Schnee-Eis überall von 23 auf 43 Prozent der gesamten Eisdicke ausmachen kann. Ist Schneefall notwendig, um die weite Gebiete von Matsch über antarktischen Meereises im Winter bilden, aber wo war die Sole-Komponente des Schnee-Eis aus?

Seitliche Eindringen von Meerwasser auf der Oberfläche, wo der Schnee das Eis unter dem Wasserspiegel, Überschwemmungen das Eis von den Seiten wiegt nach unten würden einige Oberfläche Überschwemmungen ausmachen. Kann jedoch mit viel des salzigen Meerwassers Golden sagte, kommen an die Oberfläche durch die poröse Mikrostruktur des zugrunde liegenden Meereis, mischen mit dem DGM Niederschlag in Schnee Eis einfrieren.

Golden erlebt dabei selbst am 24. Juli 1994, während der NSF-finanzierte antarktischen Zone Flux Experiment (ANZFLUX)-Expedition, die östliche Weddell-Meer. Er erlebte Wasser überschwemmen die Oberfläche des Eises an der Basis der Schneeschicht während eines Schneesturms, das die oberen Schichten des Eises Erwärmung war, macht sie durchlässig für aufwärts Sole durchsickern.

Meereis als Lebensraum

Perkolation bringt auch Vitalstoffe aus dem Meer, Algen aufrecht zu erhalten, die innerhalb der Sole Einschlüsse Leben zu helfen. Und obwohl es klingt wie diese Algen im Eis aus dem größeren marine Ökosystem isoliert sind, ist das nicht der Fall.

Auf dem Meereis vor Barrow, Alaska erforscht Columbia University marine Ökologe Craig Aumack, ein anderer NSF finanzierte Wissenschaftler wie Algen, in das Meereis in der umgebenden marinen Ökosystems binden. Er sagte, dass Algen beginnen zu blühen, wenn die Temperaturen im Frühjahr Aufwärmen.

"Dann, wie der Schnee komplett schmilzt," fügt er hinzu, "sie bekommen jede Menge des Lichts, beginnen und sie bis zum Ende des Eises, migrieren und dann schließlich verlassen das Eis [und] in der Wassersäule." Das ist, wo sie Futter für Algenfresser werden, die wiederum zu den größeren Nahrungskreislauf im Meer beitragen.

Eis-Wohnung Algen haben ein prekäres bestehen innen das Meereis bauend, goldene sagte: auf Durchsickern für Nährstoffe, die aus dem Ozean durch die poröse Mikrostruktur des Meereises kommen geschnitzt. Aber ob Flüssigkeit durch das Eis sickert hängt ein empfindliches Gleichgewicht von Temperatur und Salzgehalt in das Eis selbst. Dem Gleichgewicht zu kippen, so oder so, und Versickerung tritt nicht auf.

Eis und Elektromagnetismus

Der Brühvorgang tritt auf, wenn das Eis durchlässig genug wird, aber die Bedingungen, auf welche säulenförmigen, die See Eis durchlässig wird, unterscheiden sich von denen für granulare Meereis. Und zwar deshalb, weil mikroskopische Sole Taschen in säulenförmigen Meereis verteilt sind ganz anders als wie sie im Granulat Meereis angeordnet sind. Zoomen noch weiter in die Eis-Mikrostruktur, säulenförmigen und granulare Meereis haben verschiedene polykristallinen Strukturen, was bedeutet, dass die elektromagnetischen Eigenschaften unterscheiden sich auch.

In den letzten arbeiten, die auf dem Cover der die 8. Februar 2015 Ausgabe der Proceedings der Royal Society of London A, Golden und seine Kollegen eine anspruchsvolle mathematische Theorie in eine neue Methode für die Analyse von polykristallinen Materialien wie Keramik, Metalle, Felsen und Eis angepasst. Sie erhalten strenge mathematische Beziehungen zwischen den elektromagnetischen Eigenschaften von verschiedenen polykristallinen Strukturen und statistische Daten über wie diese Strukturen Kristalle ausgerichtet sind – die Richtung, in die sie, zum Beispiel verweisen. Die Ergebnisse dann, zum Beispiel ließe sich säulenartige und granulare Meereis mit nur elektromagnetische Massendaten unterscheiden.

Obwohl ein Großteil dieser Arbeit vor allem mathematische in der Natur, es bereits auf dem Meereis angewendet wurde, und letztlich in der industriellen Fertigung von maßgeschneiderten polykristallinen Strukturen genutzt werden. Materialien von spezifischem Gewicht, Zugfestigkeit, elektromagnetische, oder thermischen Eigenschaften könnte potenziell, damit Anwendungen von Luftfahrt bis hin zu Konstruktion, nur durch eine Anpassung der Ausrichtung der Kristalle im Fertigungsprozess hergestellt werden.

Die Gefahren des Eises – darüber hinaus Rutschen

Es ist nicht nur Algen, die prekär Leben. Golden hat seinen Anteil an in der Nähe von Katastrophen gesehen.

1998 wurde er auf der australischen Eisbrecher Aurora Australis, etwa 12 Stunden Innenkante Eis in der Antarktis, als der Feueralarm losging. Es war keine Bohrmaschine. Ein Feuer wütete in den Maschinenraum, das Feuer außer Kontrolle geraten. Die nächste Hilfe war vielleicht Tage Weg, nichts für Meilen, aber Wasser und Eis.

Jeder war aufgerufen, um am Heck des Schiffes Steuermann drängen Ruhe aufbringen. Die Besatzung begann mit den Vorbereitungen, die Rettungsboote zu senken immer bereit für das Schlimmste.

In den eisigen, großen Gewässern in der Nähe von südlichen Pol der Erde, Feuer kann sein so verheerend wie erschreckend: feurige Flammen auf der einen Seite und andererseits eine riskante Evakuierung im Wasser zu kalt für das menschliche Überleben.

"Und an diesem Punkt" Golden erinnerte, "Ich bin besonders besorgt bekommen. Alle von uns sind. Weil die Crew – das waren sehr professionell, sehr talentierte Leute — waren sehr ruhig unter schwierigsten Bedingungen. "Aber Sie spürte in ihrer Stimme, dass dies eine sehr, sehr ernste Situation war."

Wie weit ist das nächste Schiff? Wie schnell es gelingen würde, die Besatzung und die Passagiere von der Aurora Australis zu retten, wenn sie alle zum Verlassen des Schiffes hatten – in das Meer Packeis? So viele unbekannte Faktoren, jeder unterstreicht die unausgesprochene Frage: würden sie es machen?

"Du bist da unten," Golden sagte, "und du bist auf eigene Faust."

Und Notfall Entscheidungen enorm, im Eigentum oder im Menschenleben kosten könnte. Die Crew der Löschangriff Ausstieg des Maschinenraums, kurz vor eine Explosion durch es gerissen. Als ein letzter verzweifelter Versuch, das Schiff zu retten, der Kapitän bereitgestellt Halon-Gas-giftig für den Menschen – die Flammen zu ersticken. Und es funktionierte.

War das Glück auf ihrer Seite, und keine Todesopfer waren an diesem Tag verloren. Jeder floh mit nichts Schlimmeres, als einen großen Schreck.

In der Wärme und Sicherheit seines Amtes an der University of Utah wohnt Golden bequem auf diese schreckliche Erfahrung.

"Wir waren im Grunde dort für fünf Tage. Die ersten zwei Tage mit keine macht, keine Toiletten oder etwas wie das. So, das war sicherlich eine ziemlich erschütternde Erfahrung, dass in dieser Situation."

Es ist dieser Geist der Exploration in der Verfolgung der wissenschaftlichen Erkenntnisse, den goldenen, dass er hofft sagte, durch seine Arbeit weitergeben. An der Universität arbeitet er mit Studenten, die ihre eigenen Spuren im Polareis machen wollen. Viele folgen Golden an den Erdpolen für die Feldarbeit in ihren Fachbereichen.

Beobachten Golden eine meterlange Eis-Kernbohrer, ein paar Studenten zu zeigen, es ist leicht zu sehen, dass er so viel zu Hause, wie er auf dem Eis ist Studierende aus den unterschiedlichsten Disziplinen: Maschinenbau, Bioingenieurwesen, Elektrotechnik, Physik und Chemie, um nur einige zu nennen.

"Ich denke, wir würden wirklich gerne tun ist letztlich zu mehr Menschen in Mathematik bringen und zeigen, wie Mathematik wirklich das Betriebssystem der Wissenschaft und Technik, ist" Golden sagte.

"Unter Berücksichtigung der Rolle, der Mathematik als spielt eine universelle Sprache, die Naturwissenschaften zu vereinheitlichen, ist es nicht verwunderlich, dass Mathematik und seine Anwendungen in so vielen Disziplinen, so wichtige und grundlegendere eine Rolle spielen", sagte Programmdirektor Victor Roytburd NSF Division der mathematischen Wissenschaften. "Ken Golden Arbeit ist ein Paradebeispiel für die Anwendung der Mathematik auf komplexe natürliche Phänomene zu verstehen. In einem typischen Fall obwohl die grundlegenden physikalischen Gesetze, die elementare Ereignissen im Wachstum und Zerfall des Meereises bestimmen ziemlich klar sind, erfordert Verständnis der komplizierten Interaktionen solcher Ereignisse auf vielen Skalen ein Verständnis davon wie diese spielen zusammen gleichzeitig. Golden es Arbeit tragen wir wertvolle Einblicke zum Verständnis und zur Verwaltung vielleicht das Leben und die Entwicklung des Meereises."

Was quest diese, Meer Eis bedeuten für neugierige Pinguine in der Antarktis zu verstehen? Sie könnte sich bald finden, reiben mit nur, dass viele weitere Forscher chipping entfernt an Meereis unter dem Licht der Sonne polar Flügel. Hier, liegen die Mathematik der Natur und das Verhalten von composite-Strukturen und Materialien knapp unter der Oberfläche.

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