El Hielo Polar Puede Tener Secretos De Materiales Futuristas (Video)

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Al igual que la costosa fibra de carbono, el hielo marino tiene una compleja estructura compuesta que los matemáticos descifraron recientemente, y los resultados están inspirando todo, desde conceptos para nuevos materiales hasta un mejor manejo de cómo se está derritiendo el clima.

Amina Khan es una productora multimedia de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. (NSF). Ella contribuyó este artículo a WordsSideKick.com's. Voces de expertos: Op-Ed y Insights.

¿Qué despierta la curiosidad de un pingüino? Para unas pocas aves curiosas, ha sido el matemático Ken Golden perforando núcleos del hielo marino antártico. Golden ha realizado 17 expediciones al Ártico y a la Antártida a lo largo de su carrera, descubriendo las estructuras únicas del hielo. Comprender la estructura del hielo marino puede revelar no solo qué tan rápido se derretirá el hielo marino y el impacto del clima por el encogimiento de los casquetes polares, sino que también proporcionará pistas para comprender mejor los materiales compuestos, como los huesos humanos o los medios policristalinos, como las rocas y los metales. sobre cómo los cristales de hielo y la salmuera se entrelazan en la microestructura del hielo marino.

"El hielo marino es un sistema muy complicado", dijo Golden, quien lo ha estado estudiando de primera mano desde su primera expedición a la Antártida, en 1980. "Cuando vas allí", dijo, "ves cómo interactúa con el océano. Cómo interactúa con las olas, con la atmósfera ".

Hielo, atado con salmuera

Las interacciones entre el hielo marino y su entorno cambian dramáticamente el hielo y su comportamiento. Esto se debe principalmente a que el hielo marino, aunque parece ser solo hielo sólido, en realidad es un material compuesto, lo que significa que está compuesto de más de un ingrediente.

El hielo marino en su mayoría forma dos estructuras distintas: el hielo marino columnar, más común en el Ártico, está formado por cristales orientados verticalmente atascados en cuartos extremadamente cercanos, con pequeñas bolsas de salmuera que llenan los rincones y grietas submilimétricas entre las plaquetas de hielo puro que forman conglomerados Para componer cada cristal columnar.

El segundo tipo, el hielo marino granular, se encuentra más comúnmente en la Antártida y es más fino y más parecido a un grano en su estructura policristalina. Aunque ambos tipos de hielo marino están formados por cristales de hielo y salmuera, sus propiedades de microestructura y flujo de fluidos difieren sustancialmente. Y Golden está muy interesado en investigar y describir esas propiedades a través de sus matemáticas.

Un Ken Golden con traje de goma vadea las heladas aguas árticas para medir la profundidad de este estanque de deshielo. Comprender cómo las condiciones ambientales como la temperatura y la radiación solar entrante afectan la filtración, o el movimiento del agua hacia arriba y hacia abajo a través del hielo marino, podría ayudar a los científicos a predecir mejor cómo el hielo marino podría responder a los cambios en su entorno.

Un Ken Golden con traje de goma vadea las heladas aguas árticas para medir la profundidad de este estanque de deshielo. Comprender cómo las condiciones ambientales como la temperatura y la radiación solar entrante afectan la filtración, o el movimiento del agua hacia arriba y hacia abajo a través del hielo marino, podría ayudar a los científicos a predecir mejor cómo el hielo marino podría responder a los cambios en su entorno.

Crédito: Don Perovich

Ideas sigilosas

Con el apoyo de NSF, Golden ha estado estudiando los materiales compuestos y la estructura del hielo marino desde 1984, cuando era un miembro postdoctoral de ciencias matemáticas de la NSF en física matemática en la Universidad de Rutgers en Nueva Jersey. Al principio de su trabajo, se dio cuenta de lo sorprendentemente similar que es la microestructura porosa del hielo marino a otros materiales compuestos, como los materiales que absorben el radar.

"Me recordó lo que se llama microestructuras de polvo comprimido, donde tienes grandes esferas de polímero y pequeñas partículas de metal, y luego esas microestructuras se comprimen para formar una matriz de un huésped de polímero aislante con inclusiones conductoras", dijo. En esas microestructuras, las partículas conductoras forman vías eléctricas interconectadas alrededor de las partículas poliméricas aislantes, al igual que las inclusiones microscópicas de salmuera en el hielo marino pueden conectarse para formar rutas salinas alrededor de los cristales de hielo sólido.

Golden utilizó matemáticas ya diseñadas para describir el umbral crítico de volumen, o el porcentaje de volumen, de las partículas conductoras necesarias para obtener vías eléctricas largas y capacidades ocultas en polvos comprimidos. Luego aplicó el modelo de polvo comprimido a las propiedades microestructurales y de flujo del hielo marino.

A partir de esto, desarrolló su Regla de los Fives, que describe las condiciones requeridas para que las vías microscópicas de salmuera se conecten y formen canales de mayor escala, permitiendo así el flujo de fluido en el hielo marino columnar. [Vea a Golden discutir su Regla de Fives y sus expediciones en este video]

Dijo que se trata de polinización cruzada entre campos aparentemente dispares en ciencia e ingeniería; las estructuras que parecen similares también pueden compartir las mismas matemáticas subyacentes. Pero así como sus matemáticas aplican ideas de otras áreas de la ciencia a la investigación sobre el hielo marino, las ideas que él y su equipo desarrollan para el hielo marino también pueden aplicarse a materiales compuestos similares en otros campos.

"Por ejemplo", dijo, "cómo controlar la osteoporosis en el hueso humano, que resulta ser muy similar en estructura al hielo marino". Esto se debe a que el hueso es un material compuesto, y las matemáticas desarrolladas a través de la investigación del hielo marino, específicamente sobre los cambios en la microestructura del hielo marino a lo largo del tiempo, también pueden usarse para describir cambios en la densidad y estructura ósea.

"Y lo que he estudiado como matemático son las propiedades efectivas de los materiales compuestos", dijo Golden. "Sus propiedades eléctricas efectivas, sus propiedades efectivas de transporte de fluidos, sus propiedades efectivas de resistencia, etc." Todo esto se puede aplicar a estructuras similares que se están estudiando o desarrollando en los campos de la ciencia y la ingeniería, aparte de la investigación sobre el hielo marino. [Haciendo las Matemáticas en Polar Sea Ice Melt]

Respuestas fluyen a la superficie

Pero pídale a Golden que reduzca su fascinación por el hielo marino a sus huesos desnudos, y él lo resumirá en una palabra: percolación. Ese es el movimiento del agua hacia arriba y hacia abajo a través de la compleja microestructura del hielo. La percolación es uno de los mecanismos importantes tanto para el crecimiento como para el derretimiento del hielo marino y, por lo tanto, es esencial tanto para la salud como para la desaparición de la bolsa de hielo.

El hielo marino a menudo comienza siendo pequeño cuando el agua se congela en pequeños cristales de hielo que flotan cerca de la superficie del océano. A medida que la capa de hielo se espesa, los cristales más grandes crecen hacia abajo, donde los cristales de hielo que chocan entre sí pueden fundirse, o uno puede ganar, y el conglomerado acrecienta finalmente el hielo marino. Este hielo puede ganar grosor a medida que el agua que se encuentra debajo se congela hacia abajo. También crece a través de la acumulación de "hielo de nieve" o hielo formado por una mezcla de precipitaciones y agua de mar en la superficie.

En un artículo publicado en el Journal of Geophysical Research en 2008, Ted Maksym, luego en el British Antarctic Survey, y Thorsten Markus, del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA, encontraron que, dependiendo de la temporada, el hielo nevado puede representar desde el 23 hasta el 43 por ciento del espesor total del hielo. Las nevadas son necesarias para formar las vastas áreas de aguanieve que cubren el hielo marino antártico en invierno, pero ¿de dónde proviene el componente de salmuera de la nieve helada?

La intrusión lateral de agua de mar en la superficie, donde la nieve pesa el hielo por debajo del nivel del agua, inundando el hielo desde los lados, sería responsable de algunas inundaciones en la superficie. Pero gran parte del agua de mar salobre, dijo Golden, puede estar saliendo a la superficie a través de la microestructura porosa del hielo marino subyacente, mezclando con la precipitación de la superficie y congelando en hielo de la nieve.

Golden fue testigo de este proceso por sí mismo el 24 de julio de 1994, durante la expedición financiada por la NSF del Experimento del Flujo de la Zona Antártica (ANZFLUX) al este del Mar de Weddell. Presenció cómo el agua inundaba la superficie del hielo en la base de la capa de nieve durante una tormenta de nieve, que estaba calentando las capas superiores del hielo, haciéndolas permeables a la filtración de salmuera hacia arriba.

Un núcleo de hielo tomado del hielo marino del Ártico muestra que las bolsas de salmuera se han conectado para formar canales, con un camino claramente visible en el medio. Los canales y caminos como estos permiten que el agua de mar o el agua de deshielo fresca se mueva, o se filtre, a través del hielo marino.

Un núcleo de hielo tomado del hielo marino del Ártico muestra que las bolsas de salmuera se han conectado para formar canales, con un camino claramente visible en el medio. Los canales y caminos como estos permiten que el agua de mar o el agua de deshielo fresca se mueva, o se filtre, a través del hielo marino.

Crédito: Ken Golden

Hielo marino como hábitat

La percolación también trae nutrientes vitales del océano, ayudando a mantener las algas que viven dentro de las inclusiones de salmuera. Y aunque parece que estas algas están aisladas dentro del hielo del ecosistema marino más grande, ese no es el caso.

En el hielo marino de Barrow, Alaska, el ecólogo marino de la Universidad de Columbia Craig Aumack, otro científico financiado por la NSF, está investigando cómo las algas que viven en el hielo marino se vinculan con el ecosistema marino circundante. Dijo que las algas comienzan a florecer cuando las temperaturas se calientan en primavera.

"Luego, a medida que la nieve se derrite completamente", agrega, "comienzan a recibir mucha y mucha luz, [y] migran hacia el fondo del hielo, y luego finalmente dejan el hielo [y entran] en la columna de agua. " Ahí es donde se convierten en alimento para los que comen algas que, a su vez, contribuyen al ciclo de alimentos más grande en el océano.

Las algas que habitan en el hielo han creado una precaria existencia dentro del hielo marino, confiando, dijo Golden, en la percolación de nutrientes que provienen del océano a través de la microestructura porosa del hielo marino. Pero si el fluido se filtra a través del hielo depende de un delicado equilibrio de temperatura y salinidad dentro del hielo. Incline la balanza de esta manera o la otra, y no se produce la percolación.

De hielo y electromagnetismo.

La perturbación ocurre cuando el hielo se vuelve lo suficientemente permeable, pero las condiciones en las cuales el hielo marino columnar se vuelve permeable difieren de las del hielo marino granular. Esto se debe a que la forma en que se distribuyen las bolsas de salmuera microscópicas en el hielo marino en forma de columna es diferente de la forma en que se disponen en el hielo marino granular. Al acercarse aún más a la microestructura del hielo, el hielo marino columnar y granular tiene diferentes estructuras policristalinas, lo que significa que sus propiedades electromagnéticas también difieren.

En un trabajo reciente presentado en la portada del 8 de febrero de 2015, de las Actas de la Royal Society de Londres A, Golden y sus colegas adaptaron una teoría matemática sofisticada a un nuevo método para analizar materiales policristalinos como rocas, cerámicas y metales. y el hielo. Obtuvieron relaciones matemáticas rigurosas entre las propiedades electromagnéticas de diferentes estructuras policristalinas y datos estadísticos sobre cómo se orientan los cristales de estas estructuras, la dirección hacia la que apuntan, por ejemplo. Los resultados podrían utilizarse, por ejemplo, para distinguir entre el hielo marino en forma de columna y granular utilizando solo datos electromagnéticos a granel.

Aunque gran parte de este trabajo es sobre todo de naturaleza matemática., Ya se ha aplicado al hielo marino y, en última instancia, podría utilizarse en la fabricación industrial de estructuras policristalinas adaptadas. Los materiales de peso específico, resistencia a la tracción, propiedades electromagnéticas o térmicas se podrían hacer a pedido para aplicaciones que van desde la aeronáutica hasta la construcción, simplemente adaptando las orientaciones de los cristales en el proceso de fabricación.

Una fina capa de nieve esconde el hielo marino en varias etapas de fusión y de recongelación. La temperatura y la salinidad del hielo marino son fundamentales para determinar si se producirá o no percolación.

Una fina capa de nieve esconde el hielo marino en varias etapas de fusión y de recongelación. La temperatura y la salinidad del hielo marino son fundamentales para determinar si se producirá o no percolación.

Crédito: Ken Golden

Los peligros del hielo - más allá del deslizamiento

No solo las algas viven precariamente. Golden ha visto su cuota de desastres cercanos.

En 1998, estaba en el rompehielos australiano Aurora Australis, aproximadamente 12 horas dentro de la orilla del hielo en la Antártida, cuando se activó la alarma contra incendios. No fue un simulacro. Un incendio ardía en la sala de máquinas, las llamas fuera de control. La ayuda más cercana estaba quizás a días de distancia, sin nada por millas más que agua y hielo.

Todos fueron llamados a reunirse en la popa, el primer oficial del barco instaba a la calma. La tripulación comenzó a prepararse para bajar los botes salvavidas, preparándose para lo peor.

En las vastas aguas heladas cerca del polo sur de la Tierra, el fuego puede ser tan desastroso como aterrador: llamas ardientes por un lado y por otro, una evacuación arriesgada en aguas demasiado frías para la supervivencia humana.

"Y en ese momento", recordó Golden, "me estoy preocupando especialmente. Todos nosotros lo estamos. Porque la tripulación, que era muy profesional y con gran talento, era muy tranquila en condiciones difíciles. Pero se podía sentir en su voz que esta era una situación muy, muy seria ".

¿Qué tan lejos está el barco más cercano? ¿Qué tan rápido sería capaz de rescatar a la tripulación y los pasajeros de la Aurora Australis si todos tuvieran que abandonar el barco, dentro de la bolsa de hielo marino? Tantas incógnitas, cada una subrayando la pregunta no formulada: ¿Lo harían?

"Estás ahí abajo", dijo Golden, "y estás por tu cuenta".

Y cualquier decisión de emergencia tomada podría costar tremendamente, en propiedad o en vidas humanas. La tripulación que combatía el fuego salió de la sala de máquinas justo antes de que se produjera una explosión. Como último esfuerzo para salvar la nave, el capitán desplegó gas halón, tóxico para los humanos, para sofocar las llamas. Y funcionó.

La suerte estaba de su lado, y no se perdieron vidas ese día. Todos escaparon con nada peor que un gran susto.

En la calidez y seguridad de su oficina en la Universidad de Utah, Golden se siente cómodo en esa experiencia aterradora.

"Básicamente estuvimos allí durante cinco días. Los primeros dos días sin electricidad, sin inodoros ni nada por el estilo. Así que ciertamente fue una experiencia bastante angustiosa, estar en esa situación".

Es este espíritu de exploración en la búsqueda del conocimiento científico lo que Golden dijo que espera transmitir a través de su trabajo. En la universidad, trabaja con estudiantes que quieren hacer sus propias huellas en el hielo polar. Muchos siguen los polos de Golden to the Earth para el trabajo de campo en sus áreas de estudio.

Si usted es un experto de actualidad, investigador, líder empresarial, autor o innovador, y desea contribuir con un artículo de opinión, envíenos un correo electrónico aquí.

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Al ver a Golden mostrar un taladro con núcleo de hielo de un metro de largo a un par de estudiantes, es fácil darse cuenta de que está tan a gusto aquí como en el hielo, inspirando a estudiantes de diversas disciplinas: ingeniería mecánica, bioingeniería, Ingeniería eléctrica, física y química, por nombrar solo algunas.

"Creo que, en última instancia, lo que realmente nos encantaría hacer es atraer a más personas a las matemáticas y mostrar cómo las matemáticas son realmente el sistema operativo de la ciencia y la ingeniería", dijo Golden.

"Teniendo en cuenta el papel que juegan las matemáticas como lenguaje universal que unifica las ciencias naturales, no es sorprendente que las matemáticas y sus aplicaciones desempeñen un papel tan importante y fundamental en tantas disciplinas", dijo el director del programa, Victor Roytburd, de la División de Ciencias Matemáticas de la NSF. "El trabajo de Ken Golden es un ejemplo de libro de texto de la aplicación de las matemáticas para comprender fenómenos naturales complejos. En un caso típico, aunque las leyes físicas básicas que gobiernan los eventos elementales en el crecimiento y la descomposición del hielo marino son bastante claras, entendiendo las complejas interacciones de "tales eventos en muchas escalas requieren una comprensión de cómo se juegan juntos simultáneamente. El trabajo de Golden contribuye con ideas invaluables para comprender y quizás gestionar la vida y la evolución del hielo marino".

¿Qué significa esta búsqueda para entender el hielo marino para los pingüinos curiosos en la Antártida? Es posible que pronto se encuentren frotándose las alas con solo muchos más investigadores que escinden el hielo marino bajo la luz del sol polar. Aquí, las matemáticas de la naturaleza y el comportamiento de las estructuras y materiales compuestos se encuentran justo debajo de la superficie.

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