优发娱乐场-超酷职业:三个科学家的冰雪奇缘

作者: 未知 来源: 网络 2020-01-08 12:17:37

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给孩子最好的科学教育

各种各样的雪花。图片来源:noaa

作者 beth geiger

编译 寒冬

一提到雪,我们首先就会想到冷,很大的雪让人行走不便,甚至造成交通事故——但另一方面,雪又带给我们无穷的乐趣,我们在冰天雪地里打雪仗、推雪人。雪也带给我们无穷的乐趣。但是你知道吗?它们还可以是科学研究的极佳对象。

雪花看似普通,科学家却能在冰雪中获得惊人的信息。有的科学家从古老的冰中发现引人注目的气候故事;有的科学家,通过研究雪花发现风暴和天气的更多细节;还有科学家研究另一个世界的雪,在遥远的行星或卫星上,那里的雪或许隐藏着更加惊人的秘密。让我们来认识一下这三位科学家,他们都在研究雪,不过原因各不相同。

小气泡,大秘密

格陵兰岛东部,bruce vaughn 在自己帐篷里向外放眼望去,除了冰和雪,他再也看不到其他什么东西了。冷风一直在吹,即使在最“暖和”的日子里,温度也只有 -8℃。不过他一点也不介意,寒冷只是研究中的家常便饭而已。vaughn 是美国科罗拉多大学北极与高山研究所(instaar)的冰川学家,他和其他10个科学家会在这个偏远的冰盖上驻扎数周时间。

科学家们在冰天雪地里忙碌。图片来源:nasa

这儿的降雪几乎不会融化,而是不断累积。新的雪覆盖住之前的雪,逐渐形成冰。科学家用专门的工具钻入厚厚的冰层,获得长长的、圆柱形的样本,这叫做“冰芯”。在冰盖的最底部,580米深的地方,他们可以获得12万5千年前的冰。

冰中含有气泡,雪在堆积形成冰的过程中将空气困在冰里形成气泡。这些小气泡里包含了古代地球气候的重要线索。“冰里的气泡封存了远古的空气,将它们带到今天,"vaughn 说。

图片来源:imgarcade.com

在过去 150 年中,人类向大气中释放了大量的温室气体(如二氧化碳),引发气候变化。“我们对气候的产生了巨大影响,这是前所未有的,”vaughn 说。通过对冰芯的分析和测量,vaughn 和地球化学家、气候学家一起,可以推断数万年前甚至更早的大气状况。

vaughn 的科学生涯混合了三种激情:户外运动,喜欢使用工具以及地球科学。他工作的时间分为两种:待在实验室里,或是刺骨严寒的野外。

在偏远的地方建立营地之前,vaughn 和其他科学家首先要从格陵兰岛东部的基地整理所需的物品,这包括科学设备、食物以及其他生活用品。他们还要花时间驱赶北极熊。他们使用极地飞机,花了数次才将重达18吨的货物运送过去。当然,最后他们也要把自己送过去。

图片来源:peter rejcek

每天,团队都会向下钻到更深的地方以获取冰芯。然后冰芯会被冷冻保存,用飞机送到的实验室里进行分析。

在冰芯里,科学家可以看到季节变化的痕迹,比如夏季冰雪融化,形成独特的结构。每层都标志着一年的降雪,就像是树的年轮。在实验室中,vaughn 会对每年的冰层作记录,然后用质谱仪测量气泡中氧和氢的同位素。同位素属于相同元素但却原子质量不同。同位素的丰度根据温度变化。“在雪降到地面上的时候,这些同位素揭露了当时的平均温度,” vaughn 解释说。从这些信息中,他可以知道数千年前的气温。

图片来源:jennie hills

冰芯中还包含了古代气候的其他信息。将不同的冰层相比较,可以可以看出它们厚度的区别,这反映了一年中降雪的多少。较暗的层中包含灰烬,这可能来自火山喷发,或是森林大火,而且科学家可以通过分析找到它们的源头。一旦科学家知道了这些灰烬从何而来,他们就能研究当时的风如何运动。科学家也会将格陵兰岛的冰芯与其他地方的冰芯进行比较,比如南极洲的冰芯。这样可以在更大范围对气候进行研究,以及地球的气候如何变化。

vaughn 已经参加了13次冰雪远征,而且还期待更多的征途。“每次钻取的冰芯,我们都会了解到独特和振奋的知识,”他说,“我太喜欢这种寒冷了!”

遥远的世界

vaughn 可能很喜欢寒冷,不过德克萨斯州大学奥斯汀分校的物理学家krista soderlund 却喜欢在舒适的办公室里研究冰雪。

soderlund 研究的冰雪比格陵兰岛可要远得多,她偏爱欧罗巴(木卫二)上的雪。欧罗巴是木星的卫星,距地球约7亿公里。

伽利略号木星探测器拍摄的欧罗巴。

图片来源:nasa

欧罗巴表面完全由冰层覆盖,它看起来就像是光滑的白色球体,上面布满了红色的裂痕。美国宇航局(nasa)的伽利略探测器曾在1995年飞掠欧罗巴附近。从它传回的图片来看,欧罗巴的冰层之下可能存在海洋。更有意思的是,科学家认为欧罗巴可能孕育了生命。“我们知道那是个超级有趣的地方,”soderlund 说。

欧罗巴的内部结构还有待进一步研究。

图片来源:nasa

soderlund 对于欧罗巴冰层下发生的事情特别感兴趣。会不会有温暖的水穿过冰层?一些冰层是不是漂浮在看不见的湖上的冰山呢?对这些问题的回答,将揭露更多秘密,比如热量如何运动,还有,这些热量是否会影响到上面可能存在的生命?

画家想象图。探测器使用雷达探测冰层下隐藏的结构。图片来源:nasa

为了找到答案,soderlund 正在研究一种新的雷达工具。雷达使用无线电波来研究物体。“雷达很适合研究水。雷达可以发现冰层中隐藏的湖,如果这些湖存在的话,“她说,“雷达也可以帮助测量冰层的厚度。”

在2015年,soderlund 的研究项目得到了很大的推进。这个雷达被美国宇航局选中,将会近距离造访欧罗巴。美国宇航局的太空探测器预计在本世纪20年代发射升空,载着她的雷达和其他8个科学仪器飞向欧罗巴。可能要花费3年到7年的时间才能抵达欧罗巴。

画家想象的欧罗巴探测飞船。图片来源:nasa

飞船在大概几年以后发射,即使是这样,科学家也毫不松懈。目前已经有至少150位科学家参与到这个仪器的工作中。“还有更多的人,在为飞船做准备,”soderlund 说。这是一个巨大的科学项目,需要大量的沟通与合作。

soderlund 小时候曾看过极光。从那以后,她就对太空无比好奇。对她来说,研究欧罗巴上的冰雪实在是一个超酷的梦想,并且正在一步步实现。

雪花也是一门科学

让我们回到地球,雪花正从犹他州的天空飘舞而下。雪花慢慢积累,将这里堆积成滑雪爱好者的天堂。整个冬天,著名的阿尔塔滑雪场都有很多滑雪爱好者,热闹非凡。

tim garrett 也来凑热闹了,不过他不是来滑雪的。tim garrett是美国犹他大学的大气科学家,他对暴风雪以及预测暴风雪很感兴趣。

对 gerrett 来说,雪花提供了许多暴风雪以及雪花形成位置的信息。雪花的形状如何形成,它们的朝向,重量是多少,降落有多快? gerret 说,如果能够得到这些信息,就能对暴风雪进行更深入的研究。

图片来源:k. libbrecht

雪花开始于云中的小水滴。在变成雪之前,这些小水滴需要凝结核才能结冰,尘埃颗粒就是一种凝结核。没有凝结核,水滴可以在远低于冰点的温度依然保持液态,甚至形成-40℃ 的过冷水。一旦形成了冰晶,其他冰晶就会附着在上面形成雪花。很少有雪花会像照片那样完美。“实际上,六边形的雪花相当罕见,大部分真实的雪花比这复杂得多,” garrett 说。

garrett 想要在雪花下落过程中就拍到它们的样子,赶在它们融化、受到挤压或是凝结成团之前。但问题是,没有这样的相机能实现这样的功能。所以他和同事一起发明了这样的相机。“我们花了数年时间来开发这个相机,遇到了真正的挑战,”他说。运动传感器对最小的雪花也要有足够的灵敏度。为了能对下落中雪花得到锐利的图像,相机快门必须要非常快,快至1/40,000 秒,同时还要让足够的光线进入相机,避免画面太暗。

tim garrett 使用复杂的相机给下落的雪花拍照。

图片来源:d. smith

最终他们成功了。“我们的相机可以自动地从多个角度拍摄高像素照片,同时能测量雪花下落的速度,这样的相机是从来没有过的,”garrett 自豪地说。它可以揭露出雪花精细的三维结构。

每组照片有3个雪花,每个雪花由不同的角度拍摄。

图片来源:t.garrett

garrett 知道,只有将这些相机安装在滑雪场才有意义。有电梯通往不同的海拔高度,可以将相机安装在那的建筑上。他把第一个相机安装在滑雪场工人住宿地外边。但是,第一个暴风雪来袭的时候,相机的闪光灯不停地闪光,让工人误以为有东西爆炸了。garrett 只好把相机放在了一个无人居住的建筑外边。现在,第二个相机已经安装在了高高的山上。每次暴风雪,两个相机都能拍到上万个雪花图像。

garrett 的特制相机使人们开始关注暴风雪。相比其他的数据如风向和雷达图像,雪花的数据让科学家对暴风雪有了更加完整的了解。这会帮助科学家更准确地预测暴风雪及其影响。

结霜的过程使一些雪花看起来更圆。云中无数的小水滴将雪花包裹起来形成的小球状雪花称作“霰”。

图片来源:t.garret

比如,garret 说,剧烈的、深的、包含更多湍流的暴风雪所形成的雪花上会有更多的霜。霜状冰在快速结冰的条件中形成。“这种暴风雪的雪花会在空中漂浮很长时间,并聚集数千个细小的水滴。最终,这些雪花看起来有些像冰雹。”而平缓的、浅的暴风雪则会形成毛绒绒的雪花。

即使这样,garrett 说,“这些规则看起来简单,但往往并不管用,而且我们还不知道为什么。”

在阿尔塔滑雪场,garrett带上装备乘上缆椅,去山上检查相机。对他来说,从天上飘落的细小冰晶是如此的美妙迷人。

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