Laida „Mokslo sriuba“ - tai ne pelno siekianti jaunų žmonių iniciatyva populiarinti mokslą visuomenėje. Kuriama bendradarbiaujant su Baltijos pažangių technologijų institutu, „Mokslo sriubą“ galima ragauti kas antrą trečiadienį 22:00 val. per LRT Kultūros kanalą. Interneto TV laidos „Mokslo sriuba“ kūrėjai pranešė apie prasidedantį naują laidos sezoną, kuris džiaugsmingai startuoja. Šiame puslapyje rasite informaciją apie gairę pavadinimu „Mokslo sriuba“, kviečiančią giliau pasinerti į mokslo pasaulį.
Atomų ir Subatominių Dalelių Pasaulis: Kvantinės Mechanikos Pagrindai
Kvantinė mechanika - fizikos sritis, tirianti mikrodaleles, tai yra atomus ir viską, kas yra mažesni už juos. Gali kilti klausimas, kokios tos dalelės, kurios yra mažesnės už atomus. Tai yra elektronai, pozitronai, protonai, neutronai, kvarkai, fotonai ir neutrinai.
- Protonai, turintys teigiamą krūvį, ir neutronai sudaro atomo branduolį.
- Neutronai yra neutralūs, krūvio neturi, tačiau yra labai nestabili dalelė, kuri gali skilti į protoną, elektroną ir neutriną.
- Neutrinas yra ideali neutrali dalelė, jis neturi krūvio, o masė yra labai maža, dėl to sakoma, kad masės jis neturi.
- Labai mažą masę turi ir elektronas, jo masė lygi m e ≈ 9,09 * 10 -31, jis turi neigiamą krūvį.
- Pozitronas yra elektrono antidalelė, turinti teigiamą krūvį.
- Kvarkai yra fundamentaliosios dalelės, iš jų susidaro visos stipriai sąveikaujančios elementariosios dalelės (pavyzdžiui, protonai). Jie skirstomi į tris tipus ir nerandami laisvi, tik sudarydami elementariąsias daleles.
- Fotonas yra šviesos dalelė, arba šviesos kvantas, neturi krūvio, gali egzistuoti tik judant šviesos greičiu.
Pasaulis yra didžiulis ir nesuvokiamas. Jis yra stebuklingas! Už tai, kad galime tai patirti, kad mums labai pasisekė, kad viskas egzistuoja ir mes esame čia ir dabar, turime būti dėkingi paslaptingam Higso bozonui. Pastaruoju metu kvantinė fizika daugiausiai tiriama dalelių greitintuvuose, o žymiausias atradimas yra eksperimentiniu būdu išgautas Higso bozonas.
Šalia Pietų ašigalio, giliai ledo sluoksnyje, įrengtas ir didžiausias pasaulyje neutrinų detektorius „IceCube“. Specifinių savybių turinčios nematomos dalelės neutrinai susidaro žvaigždžių branduoliuose, o jas gerai ištyrus mokslininkams galbūt pavyktų suprasti žvaigždžių gelmėse vykstančius procesus.
Kvantinės Mechanikos Pradininkai ir Jų Idėjos
Makso Planko Kvantavimo Idėja
Kvantą atrado žymus mokslininkas Maksas Plankas, bandydamas suprasti, kodėl kaitinamas plienas netampa nematomas. Klasikinėje fizikoje tuo metu buvo manoma, jog daugiau kaitinamas plienas turi skleisti vis daugiau energijos per šviesą, taip keisdamas savo spektrą, kol jo šviesa netaptų ultravioletinė, tai yra nematoma, bet taip nevykdavo, plienas visą laiką išliko matomas. Kelis metus Maksas Plankas bandė įrodyti šį reiškinį klasikinės fizikos būdu, bet atsakymo nerado. Dėl to jis pradėjo teigti, jog šviesa skleidžiama ne pastoviai, o atskiromis dalelėmis, t. y. kvantais. Iš šios teorijos jis sukūrė formulę: E = hv, kurioje E yra energija, v yra dažnis, o h yra vadinama Planko konstanta. Šią formulę ir teoriją vėliau įrodė fizikai eksperimentatoriai ir net tiksliai apskaičiavo Planko konst. reikšmę. 1900 m. gruodžio 14 d. vokiečių fizikų susirinkimo metu jis pristatė savo teoriją; ši diena neoficialiai vadinama kvantinės mechanikos gimtadieniu ir naujos eros fizikoje pradžia.
Nilso Boro Atomo Modelis
Danų fizikas Nilsas Boras, naudodamas kvantavimo idėją, bandė paaiškinti atomo stabilumą. Jo mokytojo Ernesto Rezerfordo, arba planetinis, atomo modelis turėjo prieštaravimų, kadangi pagal tuo metu žinomus fizikos dėsnius tokia trajektorija judėdami elektronai su pagreičiu turėtų spinduliuoti elektromagnetines bangas, jas spinduliuodami elektronai greitai netektų energijos ir nukristų ant branduolio, tačiau taip nevyksta. Nilsas Boras, pritaikęs Makso Planko sukurtą formulę, sukūrė du postulatus:
- Atomas nespindulioja energijos stacionarioje būsenoje.
- Atomas spinduliuoja energiją tik keisdamas savo būseną, tai yra, kai elektronas pereina iš vieno sluoksnio į kitą, tuo metu atomas išspinduliuoja kvantą.
Naudodamas savo atradimą ir eksperimentuodamas, jis išvedė Balmerio formulę, kuri nusako vandenilio atomo spektro linijų bangų ilgius. Tačiau Boro modelis ir formulė irgi nebuvo tikslūs nevandenilio atomuose, eksperimentai nesutapo su Nilso teorija, dėl to tyrimai šioje srityje tęsėsi.
Vernerio Heisenbergo Indėlis
Žinoma, tai ne visi Nilso Boro atradimai, pavyzdžiui, jis kartu su Verneriu Heisenbergu sukūrė Kopenhagos interpretaciją. Heisenbergas yra vienas iš kvantinės mechanikos pradininkų, 1925 m. paskelbęs savo „Kvantinę teorinę kinematinių ir mechaninių ryšių interpretaciją“. Kol jis gydėsi ligoninėje, jam kilo mintis, jog Boro atomo modelyje prieštaravimai kyla dėl naudojimo tokių dydžių, kurie niekada nebuvo pastebėti eksperimentų metu. Vadinasi, yra nežinoma, ar tie dydžiai iš viso gali būti stebimi. Kadangi elektrono judėjimo trajektorijos neįmanoma stebėti, jis pasiūlė vietoje anksčiau bandymų nustatyti trajektoriją hipotetiškai performuluoti teoriją, joje naudojant dydžius, kuriuos galime stebėti eksperimentų metu, kaip tai daroma astronomijoje. Vienas iš stebimų dydžių buvo išskiriamų fotonų dažnis, pereinant elektronui iš vieno sluoksnio į kitą. Žinant dažnį, matematikoje naudojant Furjė transformaciją, galima dažnį paversti trajektorija.
Toliau vystydamas teoriją, jis, naudodamas Furjė eilutes, išvedė sudėties ir daugybos formules objektams, turintiems du indeksus. Jis buvo nustebęs, kai pastebėjo, jog daugybos formulėje dydžių dėsningumas turėjo reikšmę, tai yra x * y nebuvo lygu y * x. Šis ypatumas tapo vienas iš esminių skirtumų tarp kvantinės ir klasikinės fizikų. Kai Heisenbergas paskelbė šią teoriją, prasidėjo Naujosios kvantinės fizikos etapas. Kaip pasakė vienas fizikas: „Tai momentas, kai Heisenbergas rado mažą takelį, kuris išvedė iš tamsos į naujos fizikos šviesą“. Tik po to ši fizikos dalis pradėta oficialiai vadinti Kvantine mechanika.
Be to, Heisenbergas suformulavo Neapibrėžtumo principą. Jis teigia, jog turėdami dvi kvantinio objekto savybes, kuo tiksliau mes žinome vieną jo savybę, tuo netiksliau mes žinome kitą. Pavyzdžiui, jeigu greitai judantį objektą nufotografuosime su didele ekspozicija, mes galėsime pamatyti, kad objektas juda greitai, tačiau mes negalėsime suprasti, kur jis randasi. Bet jeigu nufotografuosime su maža ekspozicija, mes lengvai galėsime nustatyti, kur jis randasi, bet nepastebėsime jo judėjimo greičio.
Ervino Šriodingerio Banguotoji Mechanika ir Jo Mintinis Eksperimentas
Anksčiau minėti fizikai padarė didžiulę įtaką kvantinei fizikai, bet du žymiausi fizikai šioje sferoje yra Ervinas Šriodingeris ir Albertas Einšteinas. Ervinas Šriodingeris 1926 m. paskelbė savo darbą, kuriame buvo klasikiniu metodu aprašyti veiksmai, kurie vyksta atome. Tai buvo reikalinga, nes tuometiniai įžymūs fizikai šioje srityje naudojo tokius matematinius ir fizikinius veiksmus, kuriuos galėjo suprasti tik keli matematikai ir keli fizikai. Jo idėjos turėjo didelį palaikymą senųjų fizikų gretose, bet ir stiprų pasipriešinimą tarp naujųjų fizikų. Šiame darbe buvo paminėta žymi Šriodingerio formulė. Vėliau jis sugalvojo savo atomo modelį ir žymų eksperimentą „Šriodingerio katinas“, kuriuo paaiškinama superpozicija ir kvantinis nemirtingumas.
1935 m. fizikas Ervinas Šriodingeris sugalvojo mintinį eksperimentą. Įsivaizduokite tokią situaciją: uždarote katę sandarioje dėžėje, prie kurios prijungtas nuodingų dujų balionėlis. Balionėlis yra užsuktas, o jo atsukimą automatiškai nulemia radioaktyvaus mėginio - pavyzdžiui, radioaktyvios anglies - skilimas. Palaukiame tiek laiko, kiek vidutiniškai reikia vienam mėginio atomui skilti, ir atidarome dėžę. Ar gyva bus katė, ar mirusi? Kada anksčiausiai galime tai pasakyti - tik atidarę dėžę ar kažkiek anksčiau? Jei nežinome, ar katė gyva, iki pat tada, kai dėžę atidarome, tai kokia ji buvo prieš tai?
„Kvantinėje fizikoje slypi daugybė idėjų, kurios atrodo nesuderinamos su sveiku protu. Išgirdę apie tokį bandymą, kai kurie turbūt pasibaisėjote tokiu siaubingu elgesiu su gyvūnais. Kiti galbūt šyptelėjote, nes atpažinote vieną garsiausių kvantinės mechanikos eksperimentų - Šriodingerio katę. Nors šis eksperimentas yra tik mintinis - tai reiškia, kad niekada nebuvo net pasiūlymo iš tikro šitaip kankinti katę - jis yra giliai įsirėžęs į mokslo istoriją. Taip giliai, kad nereikia būti mokslininku, jog kažką apie šį gyvūną būtum girdėjęs. Bent jau kokį anekdotą apie tai, kad ieškoma Šriodingerio katė - gyva IR mirusi,“ - laidą kviečia žiūrėti „Mokslo sriubos“ virėjai.
Šriodingerio katė
Alberto Einšteino Poveikis Kvantinei Fizikai
Albertas Einšteinas kvantinėje fizikoje pasižymėjo fotoelektrinio efekto paaiškinimu, už tai jis gavo Nobelio premiją, tuo pačiu jis papildė Planko teoriją. Žinoma, prie kvantinės fizikos prisidėjo ir daug kitų žymių vardų, pavyzdžiui: Volfgangas Paulis, Paulius Dirakas, Ernestas Jordanas, Maksas Bornas, Arnoldas Zomerfeldas ir kt.
Kvantinės Mechanikos Interpretacijos
„Tie, kurie nėra šokiruoti, kai pirmą kartą susiduria su kvantine teorija, negali to suvokti,“ - sakė danų fizikas Nilsas Boras. Kvantinė mechanika iš tiesų priverčia permąstyti mūsų supratimą apie realybę.
Kopenhagos Interpretacija
Jau minėta Kopenhagos interpretacija, sukurta Nilso Boro ir Vernerio Heisenbergo, jos idėja yra, jog kvantinė mechanika yra atsitiktinė, o objektai turi tam tikrų savybių poras, kurių negalima išmatuoti arba stebėti vienu metu. Be to, objekto stebėjimas arba matavimas yra negrįžtami procesai, ir objektui negali būti priskirta kita tiesa, išskyrus matavimo rezultato. Ką tai reiškia? Kad suprastume tai, pirmiausiai reikia suprasti, kas yra kvantinė superpozicija - tai būsena, kai dalelė kvantinėje fizikoje turi dvi reikšmes vienu metu.
Įsivaizduokite knygą, kuri guli ant stalo, bet kvantinėje mechanikoje, jeigu ji yra superpozicijoje, ji gali vienu metu gulėti ir ant stalo, ir ant lovos. Jeigu tikėti Kopenhagos interpretacija, matuojant arba stebint knygą (stebėjimas yra atliekamas tik matavimo prietaisais ir žmogaus akis nėra toks prietaisas), mes išmatuojame, kad knyga randasi ant stalo. Išmatuodami ją, mes pasirenkame vieną jos būseną, šiuo atveju, kad ji yra ant stalo. Beje, tai vienas didžiausių sunkumų tiriant kvantinę fiziką, nes ją stebint tam skirtais prietaisais, mes keičiame patį kvantinį pasaulį. Paimkime du kubitus (kvantinius bitus) ir juos tarpusavyje kvantiškai susiekime. Pamatavę vieną kubitą, iš karto sužinosime, koks yra kitas kubitas.
Daugiapasaulinė Interpretacija
Daugiapasaulinėje interpretacijoje, sukurtoje mokslininko Hju Evereto, kiekviena iš įmanomų galimybių įvyksta kitame tuo metu sukurtame pasaulyje. Tai yra, bandydami išmatuoti ar stebėti kvantinį kūną, kiekvienas įmanomas rezultatas įvyksta tiesiog skirtinguose pasauliuose. Grįždami prie knygos, jeigu tikėti daugiapasauline interpretacija, tuo metu, kai mes bandysime išmatuoti knygos padėtį, atsiras du pasauliai: viename knyga gulės ant stalo, kitame - ant lovos. Tačiau mes, matuodami gauname tik vieną variantą ir negalime įrodyti ar paneigti šios teorijos. Būtent šios interpretacijos principu veikia kvantinis nemirtingumas.
Kvantinės Fizikos Taikymai ir Ateitis
Lietuvoje taip pat vystomas šis mokslas - neseniai buvo įsteigta Lietuvos kvantinių technologijų asociacija. Ir šiuo momentu jūs galite paklausti: jeigu kvantinė mechanika yra tiek daug tiriama, kokius žmonijai naudingus atradimus lėmė šis mokslas?
Atomai Klimato Kaitos Tyrimuose: Ledynai ir Izotopai
Šiandieninėje žiniasklaidoje neįmanoma išvengti diskusijų apie klimato kaitą. Klausimas, ar vykstantys klimato pokyčiai yra sukelti žmogaus, vis dar kelia ginčus ir dažnai išnaudojamas politinėse kovose, nepaisant plačiai pripažįstamo mokslininkų sutarimo. Gamtos tyrimų centro mokslininkas teigia, kad atmosferos, vandenynų, Žemės paviršiaus ir kriosferos (ledynų ir ledo dangų) sąveikos sudaro labai sudėtingas sistemas. Tad suprasti jose vykstančius procesus, modeliuoti jų vyksmą ir daryti patikimas prognozes apie būsimus klimato pokyčius yra didelis iššūkis. Tačiau kaip mes iš tikrųjų sužinome, kad klimato kaita vyksta? O kaip prie to prisideda žmogaus ūkinė veikla?
Ledynų Vaidmuo Klimato Kaitos Tyrimuose
Kalbant apie praeities klimatą, negalima apsieiti ir be ledynų. Tikriausiai pastebėjote, kad jie dažnai minimi diskusijose apie klimato kaitą. Ledynai yra svarbūs dėl daugelio priežasčių: jie reguliuoja regioninius mikroklimatus, tarnauja kaip gėlo vandens šaltiniai, o jų išnykimas, kaip kad Anduose, gali sukelti sausras tose vietovėse, kurios anksčiau buvo drėgnos ir derlingos. Ledynai sutinkami visuose žemynuose, net netoli ekvatoriaus Kolumbijoje ir Ekvadore, kur jie paplitę didesniame nei 5000 metrų aukštyje.
Turbūt girdėjote apie ledynų kernus, išgautus gręžiant kilometrų storio Antarkties ir Grenlandijos ledynų sluoksnius. Tačiau šie duomenys pateikia tik labai apibendrintą visos planetos vaizdą, o juk ji yra didelė ir įvairi. Ar gali būti, kad skirtingi žemynai, veikiami vietinių atmosferos ir vandenynų srovių, patyrė skirtingus klimatinius pokyčius?
Kosminės Radiacijos Panaudojimas Ledynų Tyrimuose
Tačiau kaip mes galime tirti ledynų pokyčius, kurie įvyko daugiau nei prieš kelis šimtmečius? Galbūt nustebsite, tačiau čia į pagalbą ateina kosminė radiacija. Tai - nuolatinis dalelių srautas, kurį sudaro protonai, neutronai, įvairūs atomų branduoliai bei platus subatominių dalelių spektras. Šios dalelės kilusios iš Saulės ir supernovų - sprogusių žvaigždžių, išsibarsčiusių visoje Visatoje. Kai kurios jų sprogo gilioje kosminėje praeityje, tačiau jų poveikis vis tiek jaučiamas dar ir šiandien.
Kai šis dalelių „lietus“ susiduria su atomais atmosferoje ir Žemės paviršiuje, jis sukelia branduolines reakcijas. Pavyzdžiui, iš pirmo žvilgsnio atrodo, kad kalnų slėnyje ramiai gulintis uolienos luitas, savo sudėtyje turintis kvarco, praktiškai nereaguoja į jokius išorinius veiksnius. Tačiau iš tikrųjų jis yra pastoviai veikiamas minėto kosminio „lietaus“. Kuo ilgiau tai trunka, tuo daugiau kvarce esančių deguonies-16 izotopo atomų (kurie turi iš viso šešiolika protonų ir neutronų) branduolinės reakcijos metus yra suskaidomi į lengvesnius berilio-10 izotopus (kurie turi iš viso dešimt protonų ir neutronų). Berilio-10 ypatybė yra ta, kad jis natūraliai nesiformuoja Žemėje jokiomis kitomis sąlygomis, o tiktai veikiant kosminei spinduliuotei.
Berilio-10 Matavimų Potencialas
Ledynas, net ir kalnų ledynas, paprastai būna bent keliasdešimt metrų storio - t. y. pakankamai storas, kad visiškai apsaugotų po juo esančią uolieną nuo kosminės radiacijos. Kai ledynas juda, jis ardo žemiau esančias uolienas, įtraukdamas ir pernešdamas jų fragmentus, įskaitant ir kvarcą. Kai ledynas galiausiai sutirpsta, Žemės paviršiuje atsidūręs kvarcas staiga tampa pažeidžiamas kosminio spinduliavimo, ir jame pradeda kauptis berilis-10. Matuodami pastarojo koncentraciją, mokslininkai gali nustatyti, kiek laiko tiriamoji uoliena buvo veikiama kosminio „lietaus“, t. y., datuoti ledynų paliktas nuogulas, mums žinomas kaip morenos.
Didžiulį berilio-10 matavimų potencialą tiriant morenas mokslininkai pripažino pradedant 1990-aisiais. Nuo to laiko intensyvūs tyrimai leido mokslininkams rekonstruoti ledynų pulsacijas visame pasaulyje, atsekant jų didžiausius pokyčius, įvykusius per šalčiausią paskutinio ledynmečio fazę, buvusią maždaug prieš 16 000-25 000 metų. Šiuo metu, pasinaudojant kosminės radiacijos pagrindu sukurtais metodais, yra intensyviai datuojamos ledynų paliktos morenos visame pasaulyje. Šiuo laikotarpiu skirtingose Žemės pusrutulių dalyse ledynai vystėsi nepriklausomai ir gana skirtingai.
Šiaurės pusrutulyje ledynai laikotarpiu tarp 11 000 ir 8000 metų prieš dabartį tirpo ir traukėsi, daugelis jų buvo mažesni, nei yra šiandien. Laikotarpiu, prasidėjusiu apie 4000 metų prieš dabartį ir vadinamu neoglacialu, ledynai aukštosiose (pvz., Aliaskoje ir Skandinavijoje) ir vidutinėse platumose (pvz., Alpėse) vėl pradėjo plėstis. Reikšmingas ledynų atsitraukimas įvyko, pavyzdžiui, per šiltąjį periodą, trukusį nuo Viduramžių pradžios iki maždaug 1250-ųjų metų. Tropinių Andų ledynai atspindėjo ledynų evoliuciją Skandinavijoje ir Grenlandijoje dėl, tikėtina, dominuojančio Atlanto vandenyno srovių poveikio šiose srityse. Tačiau Azijos musonų poveikio zonoje (pvz., Himalajuose) ledynai ir toliau traukėsi iki maždaug 3000 metų prieš dabartį.
Pietų pusrutulyje reikšmingas ledynų atsitraukimas įvyko tarp 11 000 ir 9000 metų prieš dabartį. Tačiau, per palyginti šiltą laikotarpį šiaurės pusrutulyje, tarp 8000 ir 4000 metų prieš dabartį, daugelyje vietų buvo pastebima priešinga tendencija - ledynai plėtėsi Patagonijoje ir Vakarų Antarktidoje. Taigi, ledynus skirtinguose pasaulio regionuose dažnai įtakojo nepriklausomos, o neretai net visiškos priešingos, tendencijos. Laikotarpiu tarp 8000 ir 4000 metų prieš dabartį šie skirtumai buvo susiję, greičiausiai, su Žemės orbitos svyravimais, lėmusiais Saulės energijos pasiskirstymo pokyčius tarp pusrutulių. Vandenynų ir atmosferos cirkuliacija, įskaitant musonus, taip pat vaidino svarbų vaidmenį.
Mažasis ledynmetis, trukęs maždaug nuo 1250-ųjų iki 1850-ųjų metų, paskatino ledynų suaktyvėjimą, tad kai kurie ledynai pasiekė didžiausią savo paplitimą per pastaruosius 12 000 metų. Geologiniai tyrimai rodo, kad šis sinchroniškas pasaulinis ledynų tirpimas ir traukimasis neturi precedento per pastaruosius kelis tūkstančius metų, išskyrus paskutiniojo ledynmečio pabaigą. Tačiau, skirtingai nei dabartinis atšilimo etapas, ledynmečio perėjimo į tarpledynmetį (holoceną) laikotarpis turėjo gerai suprantamas priežastis, susijusias su planetos orbitos pokyčiais.
Berilio-10 Izotopo Atomų Išlikimas ir Radiokarbonas
Taikant kosminius amžiaus nustatymo metodus yra tam tikra tikimybė, kad kvarce nustatytas berilis-10 gali būti susijęs su kokiu nors ankstesniu kosminės radiacijos poveikiu tiriamai uolienai. Pavyzdžiui, galimas atvejis, kai kvarcu turtinga uoliena paskutiniojo ledynmečio metu suformuotoje morenoje jau anksčiau buvo paveikta kosminės radiacijos, t. y. dar prieš atslenkant paskutiniojo apledėjimo ledynui, per ankstesnį tarpledynmetinį, kuris baigėsi maždaug prieš 100 000 metų. Tokiu atveju, kai kurie iš šių „paveldėtų“ berilio-10 izotopo atomų galėjo išlikti kvarce iki pat mūsų dienų.
Berilis-10 yra radioaktyvus izotopas ir jo gyvavimo pusperiodis yra maždaug 1,4 milijono metų, o tai reiškia, kad dar daug berilio-10 atomų galėjo išlikti nesuirusių per minėtų 100 000 metų laikotarpį. Tačiau čia į pagalbą ateina radioaktyvusis anglies-14 izotopas, dar vadinamas radiokarbonu. Buvo nustatyta, kad radiokarbonas taipogi susidaro kvarce per panašų kosmogeninį procesą kaip ir berilio-10 izotopas. Tačiau jo gyvavimo pusperiodis trumpesnis - apie 5730 metų, tad visi radiokarbono atomai iš ankstesnio tarpledynmečio būna jau seniai suirę. Naujausia ledynų morenų datavimo tendencija - iš naujo analizuoti anksčiau ištirtus berilio-10 mėginius, siekiant nustatyti radiokarbono kiekį juose.
Geologai visuomenei teikia žinias apie gamtinius išteklius, tačiau vienas iš jų svarbiausių indėlių klimato kaitos eroje yra Žemės praeities gamtinių sąlygų atkūrimas. Suakmenėjusių gyvūnijos bei augalijos liekanų (fosilijų) tyrimai taip pat atlieka svarbų vaidmenį atkuriant paleoklimatą. Analizuodami mikrofosilijas, tokias kaip foraminiferas iš senovinių jūrų nuosėdų, arba ežerų bei pelkių nuosėdose sutinkamas žiedadulkes ir diatomėjas, mokslininkai gali rekonstruoti praeities aplinkos sąlygas. Stabilių deguonies ir anglies izotopų santykis fosilijose (pvz., koralų skeletuose) gali atskleisti metinį kritulių kiekio ir temperatūros svyravimą net ir tūkstančių metų senumo fosilijose.
Ozono Sluoksnis: Atomų Svarba Atmosferoje
Žemės atmosferoje esantis ozono sluoksnis yra gyvybiškai svarbus mūsų planetos gyventojams, nes jis apsaugo nuo žalingos ultravioletinės (UV) Saulės spinduliuotės. Ozonas yra molekulė, sudaryta iš trijų deguonies atomų (O3). Jis susidaro, kai deguonies molekulės (O2) reaguoja su UV spinduliuote. Didžiausia ozono koncentracija yra stratosferoje, maždaug 15-35 km aukštyje virš Žemės paviršiaus. Šis sluoksnis sugeria didžiąją dalį žalingos UV spinduliuotės, ypač UVB ir UVC spindulius, kurie gali sukelti odos vėžį, kataraktą ir kitas sveikatos problemas. Ozono sluoksnis yra tikrai ne kelių metrų storio, o žymiai storesnis, bet tokiame aukštyje jo ten ne kaži kiek ir yra, nes atmosfera labai reta. Pasak mokslininkų, normali ozono sluoksnio storis visame pasaulyje yra 3 milimetrai. Ozono ekranas neapsaugo nuo IR spinduliuotės ir su globaliniu atšilimu ryšio neturi. Kadangi jis suplonėjęs, praleidžia daugiau UV ir pastarieji sukelia odos ligas.
Ozono Sluoksnio Nykimas ir Atsistatymas
1980-aisiais mokslininkai nustatė, kad ozono sluoksnis virš Antarkties plonėja. Šis reiškinys buvo pavadintas ozono skyle. Pagrindinė ozono sluoksnio nykimo priežastis yra žmogaus veikla, ypač ozoną ardančių medžiagų (OAM), tokių kaip chlorfluorangliavandeniliai (CFC), naudojimas. CFC molekulės yra labai stabilios ir gali išsilaikyti atmosferoje dešimtmečius. Pakilusios į stratosferą, jos susiduria su UV spinduliuote, kuri jas skaido ir išlaisvina chloro atomus. Chloro atomai reaguoja su ozono molekulėmis, ardydami jas ir paversdami deguonies molekulėmis. Vienas chloro atomas gali sunaikinti tūkstančius ozono molekulių.
Laikui bėgant ozono skylės dydis kinta. Remiantis palydovų duomenimis bei atliktais matavimais, šios skylės dydis rugsėjo pabaigoje - spalio pradžioje įprastai siekdavo maždaug 20 mln. km2. Šiais metais ozono skylės dydis rugsėjo 8 d. buvo 16,4 mln. km2, o per sekančias rugsėjo ir spalio mėnesių dienas buvo stebėtas mažėjimas iki mažiau nei 10 mln. km2. Tačiau atrodo, jog šiųmetis ozono skylės mažėjimas yra mažiau susijęs su žmonių pastangomis ir didesnę įtaką padarė neįprastai išaugusi stratosferos temperatūra. „Tai retas įvykis ir mes vis dar bandome jį suprasti“, - teigia NASA atmosferos reiškinių mokslininkė Susan Strahan.
Tarptautinės Pastangos Ozono Sluoksniui Apsaugoti
Suvokus ozono sluoksnio nykimo pavojų, tarptautinė bendruomenė ėmėsi veiksmų. 1987 m. buvo priimtas Monrealio protokolas - tarptautinis susitarimas, kuriuo siekiama palaipsniui atsisakyti OAM naudojimo. Monrealio protokolas laikomas vienu sėkmingiausių tarptautinių aplinkosaugos susitarimų. Dėl Monrealio protokolo CFC naudojimas buvo smarkiai sumažintas, o ozono sluoksnis pradėjo atsistatyti. JAV mokslininkai tvirtina, kad ozono sluoksnio skylė virš Antarkties nustojo plėstis. Tikimasi, kad ozono skylė visiškai išnyks per maždaug 60 metų. Tie patys du mokslininkai, kurių darbai devintame dešimtmetyje įspėjo pasaulį apie ozono skylės keliamą pavojų, dabar išreiškė viltį, kad ozono sluoksnis visiškai atsistatys. „Labai tikiuosi, kad kažkada turėsime normalų ozono sluoksnį“, - sako daktaras Davidas Hofmanas, vadovaujantis JAV Nacionalinės okeano ir atmosferos valdybos Pasaulinio monitoringo skyriui. Optimistiškai nusiteikusi ir daktarė Susan Solomon iš Tarpvyriausybinės klimato pokyčių grupės. Vis dėlto mokslininkė pridūrė, kad: „Dar daug ką reikia nuveikti moksliniu požiūriu dėl to, ką aš pavadinčiau atsakingumu“.
Nors Monrealio protokolas padėjo sumažinti ozono sluoksnio nykimą, klimato kaita kelia naujų iššūkių. Klimato kaita gali paveikti stratosferos temperatūrą ir cirkuliaciją, o tai gali turėti įtakos ozono sluoksnio atsistatymui. Todėl svarbu toliau stebėti ozono sluoksnį ir imtis veiksmų, kad būtų sumažintas klimato kaitos poveikis. Moksliniai tyrimai Antarktidoje yra svarbūs ozono sluoksnio tyrimams. Australija Antarktidoje turi tris tyrimų stotis, kuriose mokslininkai analizuoja klimato kaitą ir mėgina rasti būdų, kaip apsaugoti Antarkties žemyną nuo neigiamo žmogaus poveikio.
Ozono Sluoksnis Kitose Planetose: Marsas ir Venera
Ozono sluoksnis egzistuoja ne tik Žemėje, bet ir kitose planetose, pavyzdžiui, Marse ir Veneroje.
Ozono Sluoksnis Marse
Marse ozono sluoksnis susidaro, kai UV spinduliai skaido anglies dioksido (CO2) molekules. Tačiau ozono molekulės taip pat suyra susidūrusios su vandenilio atomais, kurie atsiranda, kai UV spinduliuotė skaido vandens garus. Nauja NASA zondo „Mars Express“ duomenų analizė patvirtina šį procesą. Tiesa, koreliacija aiškiai matoma tik toli nuo pusiaujo, o ties pusiauju pranyksta. Tyrėjai pabandė atkurti stebėjimų duomenis skaitmeniniu modeliu, kuriame vertinami Marso atmosferą veikiantys procesai, įskaitant gravitaciją, Saulės spinduliuotę bei vėją, paviršiaus ir atmosferos chemines reakcijas. Šis neatitikimas primena analogišką problemą - modeliai prognozuoja mažesnį nei stebimas anglies monoksido kiekį Marse. Šios molekulės taip pat nyksta dėl reakcijų su vandeniliu, taigi pervertinta tokių reakcijų sparta sumažina ir ozono, ir anglies monoksido gausą. Gali būti, kad reakcijos žemo slėgio ir temperatūros sąlygomis, kokios yra Marso atmosferoje ir Žemės atmosferos aukštesniuose sluoksniuose, tiesiog vyksta lėčiau, nei manyta iki šiol.
Ozono Sluoksnis Veneroje
Veneroje taip pat aptiktas ozono sluoksnis. Kosmoso tyrimai nuolat atskleidžia įdomių faktų apie mūsų Saulės sistemą ir kitas planetas.
Antarktida: Mokslinių Tyrimų Laboratorija ir Iššūkiai
Pietiniame mūsų planetos ašigalyje esanti Antarktida - tai mažiausiai apgyvendintas, šalčiausias, labiausiai vėjuotas ir mažiausiai ištyrinėtas žemynas. Beveik visą jį dengia storas sniego ir ledo sluoksnis. Nepaisant nepaprastai atšiaurių sąlygų, Antarktidoje gyvena šalčio nebijantys ruoniai, pingvinai ir... keli tūkstančiai žmonių. Visi šie žmonės - mokslininkai. Nuošalioji Antarktida buvo atrasta tik 1820 m. ir nuo to laiko joje pradėtos organizuoti ekspedicijos, neretai pareikalavusios ir žmonių gyvybių. Bene žymiausias tokių ekspedicijų pavyzdys - tai 1911 m. vykusios norvego Roaldo Amundseno ir brito Roberto Skoto lenktynės į Pietų ašigalį.
Šiais laikais mokslininkai Antarktidą tiria saugesniais būdais. Štai Australija Antarktidoje turi tris tyrimų stotis. Seniausia iš jų - tai Mausono stotis, pastatyta dar 1954 m. Itin atšiauriomis klimato sąlygomis dirbantiems mokslininkams sudarytos kiek įmanoma patogesnės gyvenimo sąlygos. Tyrimų stotis - tai tarsi mažas miestelis. Jame įrengtos vėjo jėgainės, laboratorijos, maisto ir įrangos sandėliai. Gyvenamosiose patalpose mokslininkams parūpintas bevielis internetas, netrūksta ir kitų pramogų: ten rasime treniruoklių salę, namų kino teatrą, pirtį.
Nenuostabu, kad atšiauriausiame mūsų planetos žemyne beveik nėra gyventojų. Milžiniška Antarktidos teritorija nepriklauso nė vienai valstybei, tačiau joje galima statyti mokslinių tyrimų stotis. Kai kurios iš jų yra pakankamai didelės, kad turėtų savo autobusus, lėktuvų pakilimo takus, netgi vietinį laikraštį ar muzikos grupę. Dėl aplinkos panašumo į Marsą Antarktida yra puiki vieta imituoti astronautų gyvenimą tolimojoje planetoje ir taip išanalizuoti ilgalaikio gyvenimo griežtai izoliuotoje aplinkoje padarinius.
Vasaros mėnesiais mokslininkai leidžiasi į ekspedicijas. Jie išgręžia gręžinius ir ištraukia ledo kernus - cilindrinius stulpelius. Juose užkonservuota Antarktidos ir visos mūsų planetos praeitis - lede užšalusiuose oro burbuliukuose randama dujų, kurios tyrėjams atskleidžia senovės atmosferos sudėtį. Šalia Pietų ašigalio, giliai ledo sluoksnyje, įrengtas ir didžiausias pasaulyje neutrinų detektorius „IceCube“.
Interneto Ryšio Iššūkiai ir Sprendimai Antarktidoje
Antarktida, atšiaurus ir nuošalus žemynas, yra itin svarbi vieta moksliniams tyrimams. Tačiau, nepaisant svarbos, Antarktidos mokslininkai susiduria su iššūkiais, kurių neturi mokslininkai kitose pasaulio dalyse. Vienas iš didžiausių iššūkių yra prastas interneto ryšys. Antarktidoje esančioje Makmerdo stotyje, kurią valdo JAV nacionalinis mokslo fondas (NSF), nuo spalio iki vasario mėnesio lankosi iki 1000 mokslininkų. Jie atlieka tyrimus įvairiomis temomis, nuo klimato kaitos iki vandenynų. Tačiau, nepaisant svarbaus vaidmens Antarktidos tyrimuose, Makmerdo stočiai trūksta to, ką dauguma XXI a. laboratorijose dirbančių mokslininkų laiko savaime suprantamu dalyku - spartaus interneto.
Antarktida yra vienintelis žemynas, kuriame nėra greitojo šviesolaidinio ryšio. Šiandien Antarktidoje dirbantys mokslininkai, norėdami susisiekti su išoriniu pasauliu, naudojasi mažo pralaidumo palydovais. Palyginti su tipišku kaimo namų ūkiu, vienam žmogui tenkantis duomenų srauto pralaidumas Makmerdo stotyje yra ribotas. Tai reiškia, kad mokslininkai dažnai turi saugoti savo duomenis kietuosiuose diskuose ir fiziškai parsigabenti namo, užuot eksportavę juos kolegoms analizuoti realiuoju laiku.
Šių metų pradžioje NSF pradėjo rimtai svarstyti galimybę nutiesti šviesolaidinį kabelį, kuris jūros dugnu eitų iš Antarktidos į kaimyninę Naująją Zelandiją arba Australiją. Pirmą kartą ši idėja buvo iškelta kiek daugiau nei prieš dešimtmetį, tačiau prarado populiarumą, nes pirmenybė buvo teikiama kitiems projektams. Šviesolaidinio kabelio įdiegimas leistų:
- Duomenų analizę realiuoju laiku: Dėl fizinio kabelio buvimo būtų galima rinkti naujų rūšių duomenis ir analizuoti juos veiksmingiau.
- Seisminių duomenų rinkimą: Kabelio skaidulos galėtų būti naudojamos seisminiams duomenims rinkti taikant naują metodą, vadinamą „paskirstytuoju akustiniu jutimu“.
- Vandenyno stebėjimą: Prie kabelio būtų galima prijungti jutiklius, kurie nuolat stebėtų temperatūrą ir slėgį Antarktidos Pietų vandenyne - svarbiausioje vietoje siekiant suprasti, kaip greitai vyksta klimato kaita. Pietų vandenynas yra mažai stebimas, o kylant temperatūrai tokie nuolatiniai stebėjimai realiuoju laiku galėtų labai pagerinti mokslininkų supratimą apie jį.
Kitas žingsnis siekiant, kad Antarktidos spartusis internetas taptų realybe, yra oficialus stalinių kompiuterių ir inžinerinio projektavimo tyrimas, kurį NSF atliks padedant Gynybos departamentui.
Pagrindiniai Duomenys apie Antarktidą
| Duomenys | Informacija |
|---|---|
| Atradimo metai | 1820 m. |
| Gyventojai | Keli tūkstančiai (mokslininkai) |
| Valdymas | Nepriklauso jokiai valstybei |
| Svarbiausi tyrimai | Klimato kaita, vandenynai, neutrinų fizika |