ỨNG DỤNG TOÁN HỌC VÀO LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU BĂNG BIỂN .

ỨNG DỤNG TOÁN HỌC VÀO LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU BĂNG BIỂN .

Toán học gia Kenneth M. Golden với chuyên đề nghiên cứu băng biển

Khám phá :



Đưa toán học vào nghiên cứu băng biển

Quỹ tài trợ NSF -  Kenneth M. Golden , Đại học Utah với những nghiên cứu đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu biết tốt hơn về sự thay đổi băng biển

Xem video



Ngày 04 tháng 11 năm 2015

Nhà hải dương học, các nhà sinh học biển và địa chất học là những nhà khoa học phổ biến nhất liên quan đến nghiên cứu những thay đổi trong băng biển. Nhưng trong những ngày này,  có thể là một nhà toán học cũng đang tham gia khoan lõi băng ở Nam Cực.

Với 17 chuyến du hành đến Bắc Cực và Nam Cực , Kenneth M. Golden toán học gia , nghiên cứu tại Đại học Utah , đã có cơ hội hiểu rõ hơn về phương diện toán học đối với những gì diễn ra bên trong các lớp dày của biển trong những vùng đó.


Hiểu biết về băng biển và cách ứng xử có thể thúc đẩy nghiên cứu trên một phạm vi rộng của các ngành khoa học . Ví dụ, nó có thể giúp các nhà khoa học dự đoán băng biển sẽ tan chảy nhanh như thế nào , tác động của thu hẹp băng ở các vùng cực trên hệ thống khí hậu trái đất, hoặc dẫn đến việc nghiên cứu để thu được các vật liệu composite tốt hơn dựa vào cấu trúc của băng biển. Và đó mới chỉ là khởi đầu.

Nghiên cứu về sự nứt vỡ băng biển .

"Băng biển là một hệ thống rất phức tạp," Golden cho biết . Bản thân Kenneth M. Golden là người đã nghiên cứu nó tận mắt kể từ chuyến thám hiểm đầu tiên của ông tới Nam Cực vào năm 1980. "Khi bạn đi xuống đó, bạn sẽ thấy cách thức băng biển tương tác với các đại dương, kể cả cách thức nó tương tác với sóng , với không khí ".

Những tương tác giữa các băng biển và môi trường của nó làm thay đổi băng và cách ứng xử. Đó là bởi vì băng biển, mặc dù nó dường như là rắn, thực sự là một vật liệu composite, được tạo thành từ nhiều thành phần.

Băng biển hình cột , là loại phổ biến ở Bắc Cực, được tạo thành từ tinh thể nước đá tinh khiết hướng theo chiều dọc, ép chặt vào nhau, có những túi nhỏ nước muối lắp đầy những ngóc ngách và khe hở của chúng  với kích thước nhỏ hơn milimet .

   Thớ băng cột (Columnar-grained) S2  được tìm thấy qua sự đông đặc đơn hướng :                                                       
a) nước ngọt      b) của  nước biển Bắc cực.

     

Nguồn  https://engineering.dartmouth.edu/icelab/s2ice.html

Băng biển hình hạt , thường được tìm thấy ở Nam Cực, là nguyên chất hơn và gần dạng hạt hơn về cấu trúc, nhưng có cấu tạo tương tự như các tinh thể nước đá và nước muối.

Bức ảnh này cho thấy băng hạt tẩm với một lớp liên tục của các băng chồng (các tinh thể lớn có màu) được hình thành bởi sự xâm nhập của nước tan chảy từ tuyết .

Với sự hỗ trợ từ Quỹ Khoa học Quốc gia (NSF), Kenneth M. Golden đã nghiên cứu vật liệu composite và kết cấu băng biển từ năm 1984, khi ông làm nghiên cứu sau tiến sĩ  Khoa học Toán học NSF ở Rutgers. Ông nói rằng những bài học mà các nhà nghiên cứu tìm hiểu từ các cấu trúc và hành vi của băng biển có thể dẫn đến một sự hiểu biết tốt hơn về công nghệ cao, sinh học, các vật liệu composite quan trọng. Ví dụ, ông nói, " phương thức theo dõi bệnh loãng xương ở xương người, mà hóa ra là vô cùng gần gũi với cấu trúc băng biển."

Victor Roytburd, Giám đốc Bộ phận Khoa học Toán học NSF gọi công việc của Golden như là "một ví dụ điển hình của ứng dụng toán học để hiểu biết được các hiện tượng tự nhiên phức tạp." Các định luật vật lý cơ bản chi phối "cuộc sống của băng" trong công trình của Kenneth M. Golden là khá rõ ràng, nhưng sự hiểu biết những tương tác phức tạp giữa băng biển và môi trường của nó đòi hỏi phải thâm nhập nghiên cứu về hệ thống cấp bậc của những hiện tượng , Roytburd nói .

 Ảnh :
http://www.nsf.gov/mps/dms/gallery.jsp

"Xét đến vai trò của các quy luật mà toán học sử dụng như một ngôn ngữ phổ quát thống nhất các khoa học tự nhiên, thật không phải là đáng ngạc nhiên rằng toán học và ứng dụng của nó đóng vai trò rất quan trọng và cơ bản trong rất nhiều lĩnh vực," ông nói. "Công trình của Ken Golden đã đóng góp những thấu hiểu vô giá cho sự hiểu biết và có lẽ giải quyết cả về sự sống và phát triển của băng biển."

Cuộc sống bên trong và  ngoài băng biển .

Khi hỏi Ken Golden để tổng hợp lại các điều hấp dẫn nhất về băng biển và ông trả lời : sự thấm thấu - đấy là sự chuyển động của nước lên và xuống thông qua các vi cấu trúc phức tạp của lớp băng. Thấm thấu , ông nói, là điều cần thiết cho sức khỏe của các khối băng.

Một sơ đồ cho thấy độ dày của băng biển và các quy luật của lớp tuyết bao phủ

Nguồn :  http://blogs.nasa.gov/icebridge/tag/cryovex/

Các nhà nghiên cứu tin rằng gần 25 phần trăm của băng ở Nam cực được tạo ra khi nước lũ tràn bề mặt. Phần lớn nước xuyên qua các vi cấu trúc xốp nằm bên dưới băng , và đông đặc tạo thành những gì được gọi là "tuyết băng."
Sự thấm thấu cũng mang lại chất dinh dưỡng quan trọng từ đại dương, giúp duy trì loài tảo sống trong nước muối bên trong băng. Tảo bên trong băng biển có vẻ như cô lập từ các hệ sinh thái biển lớn, nhưng đó không chỉ là trường hợp thuần túy như vậy .

 Nhà sinh thái học biển Craig Aumack thuộc Đại học Columbia nghiên cứu phương thức loài tảo sống trong băng biển ngoài khơi bờ biển của Barrow, Alaska, liên kết với các hệ sinh thái biển xung quanh. Tảo bắt đầu nở khi nhiệt độ ấm áp trong mùa xuân, ông nói.

Craig Aumack
Regular Limited-term Assistant Professor
PhD, University of Alabama at Birmingham

Nguồn  :  http://cosm.georgiasouthern.edu/biology/craig-aumack/

"Sau đó, khi tuyết tan chảy hoàn toàn và tảo bắt đầu nhận được rất nhiều và rất nhiều ánh sáng, lớp tảo này di chuyển xuống phía đáy băng và cuối cùng rời khỏi băng để trôi vào cột nước." Đó là nơi mà chúng trở thành thức ăn cho các loài sinh vật ăn tảo , lần lượt, đóng góp vào sự chu trình thực phẩm lớn trong đại dương.
Loài tảo sống ở băng đã tạo cho mình sự tồn tại bấp bênh bên trong băng biển, và chúng dựa vào sự thấm thấu để có thực phẩm. Nhưng có hay không sự thấm chất lỏng xuyên qua băng phụ thuộc vào sự cân bằng về nhiệt độ và độ mặn tự có trong nước đá . Nghiêng lệch sự cân bằng này bằng cách này hay cách khác , và sự thấm thấu sẽ không xảy ra.

Những rủi ro của lĩnh vực nghiên cứu toán học .

Nghiên cứu lĩnh vực về các băng biển đã chứng tỏ nhiều  rủi ro hơn so với các loại thu thập dữ liệu. Ken Golden và các đồng nghiệp của ông đã phải đối mặt với các mối đe dọa tự nhiên, từ các vết nứt đe dọa tính mạng trong băng biển cho đến các vấn đề thiết bị máy móc.  ( Xem Ken Golden và đồng nghiệp của ông đối phó với mối nguy hiểm trên băng  www.nsf.gov/discoveries/disc_videos.jsp?cntn_id=136523&media_id=79690  )


Năm 1998, Ken Golden đã phải ngồi suốt trên máy cắt băng Aurora Australis , khoảng 12 giờ để tham gia một cuộc hành trình vào bên trong rìa băng Nam Cực, sau khi có báo động cháy nổ. Một đám cháy lan ra trong phòng máy và những ngọn lửa bắt đầu vượt khỏi vòng kiểm soát . Sự giúp đỡ gần nhất mà ông duy nhất có được là thời gian trôi đi, không có gì ngoài nước và băng đá suốt hằng dặm đường .

"Bạn trôi tuột xuống dưới đó", Ken nói, "và bạn đang phải vượt lên chính bạn."

Phải mất hằng giờ căng thẳng thần kinh , nhưng các nhân viên trong đoàn du hành cuối cùng cũng kiểm soát được hỏa hoạn và không có ai bị thương tích.

"Chúng tôi cơ bản đã ở đó trong năm ngày," Golden nói. "Hai ngày đầu tiên không có điện, không có nhà vệ sinh hoặc bất cứ điều gì đại loại như thế."


Chia sẻ tinh thần thám hiểm

Ở trường đại học, Golden làm việc với sinh viên hết sức say mê với băng biển vùng cực và các vấn đề khoa học mà nó đặt ra . Công trình nghiên cứu của ông, từ việc mô tả một lõi băng khoan dài hằng mét đến việc tổ chức các chuyến đi nghiên cứu đến những vùng cực, đã thu hút sinh viên từ khắp các ngành như kỹ thuật cơ khí, công nghệ sinh học, kỹ thuật điện, vật lý và hóa học. Các nghiên cứu của băng biển, Golden nói, chính là ở mối quan hệ của nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác nhau.


"Tôi nghĩ rằng cuối cùng những gì chúng tôi thực sự yêu thích làm việc là mang lại thêm nhiều người tham gia vào toán học và chỉ ra rằng toán học thực sự là hệ điều hành của khoa học và kỹ thuật," ông nói.

- Amina Khan, (703) 292-8791 akhan@associates.nsf.gov

Investigators Kenneth Golden

Related Institutions/Organizations University of Utah

Related Programs Applied Mathematics
Arctic Natural Sciences
Mathematical Sciences Infrastructure Program

Related Awards #1413454 Homogenization for Sea Ice
#0940249 Collaborative Research: Mathematics and Climate Change Research Network

Total Grants $847,727
Related WebsitesKen Golden website, University of Utah: http://www.math.utah.edu/~golden/



 -------------------------------------------------------------------------------------------

Trần hồng Cơ

Biên dịch
03/11/2015

Nguồn :

http://www.nsf.gov/discoveries/disc_summ.jsp?cntn_id=136523&WT.mc_id=USNSF_1
http://cosm.georgiasouthern.edu/biology/craig-aumack/
http://blogs.nasa.gov/icebridge/tag/cryovex/
http://www.nsf.gov/mps/dms/gallery.jsphttps://engineering.dartmouth.edu/icelab/s2ice.html



-------------------------------------------------------------------------------------------

Trên đời không gì vĩ đại bằng con người.

Trong con người không gì vĩ đại bằng trí tuệ.

A.Hamillton