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Cómo la física estadística arroja luz sobre el hielo marino, una parte importante del sistema climático de la Tierra -theU

Desde que comenzó a estudiar el hielo marino polar en la NASA en 1975, un matemático ken dorado Ayude a documentar cambios preocupantes en la delgada corteza que cambia estacionalmente y que cubre los océanos Ártico y Antártico.

Ahora hay menos hielo, y desde entonces, el científico de la Universidad de Utah ha dedicado gran parte de su carrera a aplicar la mecánica estadística (la física de las transiciones de fase y el comportamiento colectivo complejo en sistemas como gases e imanes) para comprender mejor el papel del cambio climático en el Desaparición de los casquetes polares marinos. Lo que está en juego no podría ser mayor a medida que los efectos se aceleran. En las últimas décadas, según Golden, el área de hielo marino del Ártico se ha reducido casi a la mitad.

Matemático Ken Golden

“No durante el último millón de años, como en escalas geofísicas, no más de mil años, sino durante los últimos 30 o 40 años. Hace un par de meses, incluso en la Antártida, vimos un nuevo mínimo histórico”, dijo Golden. en una entrevista sus palabras de apertura el 17 de mayo. Cumbre del clima Organizado por U College of Science’s Centro Wilkes de Ciencias y Políticas Climáticas. “Pero al igual que arrojar una piedra a un estanque, hay efectos de onda, y cuanto más grande es la roca, más grandes son las ondas y mayor la distancia. El hielo marino que perdimos en el Ártico es aproximadamente dos tercios del tamaño del hielo contiguo”. Estados Unidos y es probablemente el mayor cambio en la superficie de la Tierra debido al calentamiento planetario”. Esta es una gran roca”.

La parte del sistema climático de la Tierra formada por nieve y hielo, conocida como criosfera, está experimentando graves perturbaciones a medida que el planeta continúa calentándose. El hielo todavía cubre del 9% al 15% de la superficie del océano de la Tierra, pero las tendencias son siniestras.

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Credito de imagen: Universidad de Utah

El matemático Ken Golden, a la izquierda, perfora el hielo marino durante una expedición al Ártico en 2014.

Golden, un destacado investigador del hielo marino, es coautor de una perspectiva publicada esta semana por Nature, en la que explica Física de la criosfera. Mejorar nuestra capacidad para comprender y modelar el comportamiento del hielo marino es un problema central en la física del sistema climático de la Tierra, según Golden, profesor distinguido de la Departamento de Matemáticas Quien ha completado 18 expediciones de investigación polar.

Más que hielo

Aparte de contener agua, los témpanos de hielo marino tienen poco en común con los cubos congelados en un congelador.

“Como material, el hielo marino es un complejo jerárquico de múltiples escalas con una estructura compleja en escalas de longitud que van desde décimas de milímetro hasta decenas de kilómetros, y exhibe una rica dinámica a la escala del Océano Ártico”, escribió Golden en el artículo principal de la revista. pedazo. Publicado en Revisiones de la naturaleza Física. “Un gran desafío de modelado es cómo usar datos en una estructura de menor escala para encontrar propiedades efectivas del hielo marino a escalas más grandes relevantes para el clima y los modelos de procesos”.

En otras palabras, ¿qué podemos aprender sobre el planeta al examinar las delicadas estructuras dentro del hielo marino? Golden piensa mucho, no solo en el clima, sino en todo tipo de otras áreas de la ciencia y la ingeniería en las que las matemáticas son similares, como ortopedia, imágenes médicas, secuestro de carbono, semiconductores e incluso compuestos de alta tecnología con propiedades exóticas.

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El hielo marino es un poderoso hogar para criaturas, desde depredadores y aves hasta algas que viven dentro de las inclusiones de salmuera en el hielo marino, alimentándose del agua de mar cargada de nutrientes que fluye a través de los canales de sal y las vías que pueden penetrar el hielo.

¿Cómo afecta el hielo marino al clima?

También juega un papel fundamental en la regulación del sistema climático porque afecta las corrientes oceánicas y refleja la radiación solar hacia el espacio, que se mide por una propiedad conocida como albedo. Si bien el hielo refleja esta energía, es absorbida por el agua de mar y por las piscinas de agua de deshielo que se encuentran sobre el hielo marino. Esto significa que el planeta podría estar calentándose más rápido a medida que el hielo marino se encoge, exponiendo más superficie de agua absorbente y reduciendo el albedo del planeta, según Golden.

“Forma la capa límite muy delgada de permafrost entre los dos principales fluidos geofísicos de la Tierra: el océano y la atmósfera”, dijo en una conferencia de Frontiers of Science de 2021. Como tal, media el intercambio de calor, gases y cantidad de movimiento entre ellos. El derretimiento y la congelación del hielo marino juegan un papel muy importante en la circulación global de los océanos y son vías importantes a través de las cuales las regiones polares se comunican con el resto del sistema oceánico del mundo, así como con el sistema climático global”.

¿Qué distingue a cinco?

Golden es famoso por desarrollar una teoría matemática que él llama la “Regla de los cinco”, que fue la primera aplicación de un modelo clásico en la mecánica estadística de la física del hielo marino, para identificar y predecir un interruptor de “encendido-apagado” de cómo fluyen los fluidos. a través del hielo. Basado en el modelo de filtración utilizado para desarrollar revestimientos sigilosos que hacen que las aeronaves sean invisibles al radar, la regla establece que un líquido puede moverse verticalmente cuando la fracción de volumen de la salmuera supera el umbral de percolación del 5 %, que corresponde a una temperatura crítica de -5° C de salinidad Un volumen típico es de cinco partes por mil.

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Credito de imagen: Universidad de Utah

Ken Golden, un matemático de la Universidad U que estudia el hielo marino, aplica tinte verde a un témpano de hielo durante una expedición de 2014 al Polo Norte.

Golden quiere ver que las ideas de gran alcance y ampliamente aplicables de la mecánica estadística se utilicen más para explorar la criosfera.

“La física estadística ha tenido un éxito generalizado y se ha convertido en una rama importante de la física moderna”, escribe Golden en su artículo. Sin embargo, aunque proporciona un marco tan natural para formular y abordar preguntas clave en la física del hielo marino y abre una amplia gama de ideas y métodos poderosos, solo se ha utilizado en unos pocos contextos, aunque con un éxito extraordinario. “

Otros colaboradores son Allison Banwell del Instituto Cooperativo para la Investigación en Ciencias Ambientales (CIRES), el físico Justin Burton de la Universidad de Emory, Claudia Sendes de la Institución Oceanográfica Woods Hole y Jan Ostrom de Obo Akademi en Finlandia.

la pieza de Cendese iluminando el nacimiento del iceberg; Banuel analiza cómo el agua de deshielo superficial provoca el colapso de la plataforma de hielo; Ostrom examina la ruptura catastrófica del hielo; y Burton analiza la “mezcla de hielo”, una agregación flotante de icebergs rotos que pueden bloquear fiordos y vías fluviales y afectar el aumento del nivel del mar.


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