Рубрика: Наука

Розуміння оптичних властивостей снігу може розблокувати прогрес, починаючи від вдосконалених методів прибирання снігу до підвищеної безпеки від лавин. Можна подумати, що сніг легко описати: він холодний, білий і вкриває ландшафт, як ковдра. Що ще про це можна сказати?

Багато, за словами Матьє Нгуєна. Він щойно захистив свою докторську дисертацію про оптичні властивості снігу в Норвезькому науково-технічному університеті (NTNU) у Гйовіку.

«Сніг відбиває всі довжини хвилі світла і може мати дуже різні кольори залежно від умов і кута, під яким на нього падає світло. Вік і щільність снігу та забруднення повітря також впливають на те, як він виглядає. Поява снігу — дуже складна справа», — каже Нгуєн.

Він проаналізував понад тисячу зображень снігу. «Цей тип методу можна використовувати в багатьох сенсорних технологіях, які включають усе: від надання нам кращої основи для прийняття рішень щодо того, коли слід розчистити дороги, до більш ретельного моніторингу ризику сходження лавини в горах».

Пейзаж із дзеркал

Серед іншого, Нгуєн досліджував, як сніг поглинає та відбиває світло, і те, як сонце змушує снігові кристали виблискувати, викликало особливий інтерес. Він вважає, що прекрасний зовнішній вигляд зимових пейзажів може містити ключ до відповіді на низку питань, які спантеличили дослідників протягом багатьох років.

Але по-перше, що саме змушує сніг виблискувати в яскраві сонячні дні?

«Сніг — це скупчення кристалів льоду. Коли умови ідеальні, вони діють як крихітні дзеркала. Якщо вони розташовані під правильним кутом, вони відбивають сонячне світло прямо на вас і сяють, як «іскри» в пейзажі», — каже Нгуєн.

Величезний потенціал

Було проведено багато досліджень щодо того, як різні метали виблискують таким чином, але блиск снігу все ще погано вивчений.

«Якщо ми хочемо мати тут, у Норвегії, повністю автономні автомобілі, ця технологія також сприятиме безпечнішому подорожуванню зимовими дорогами», — каже Нгуєн.

Тому Нгуєн намагався з’ясувати, як ці блискітки змінюються за контрастом і щільністю на зображеннях снігу в різних умовах. Він сподівається, що це забезпечить метод аналізу, який дозволить нам класифікувати різні типи снігу за зображеннями. Зараз це неможливо.

«Цей тип методу можна використовувати в багатьох сенсорних технологіях, які включають усе: від надання нам кращої основи для прийняття рішень щодо того, коли дороги потрібно розчистити, до більш ретельного моніторингу ризику сходження лавини в горах. Якщо ми хочемо мати повністю автономні автомобілі тут, у Норвегії, ця технологія також сприятиме безпечнішому переміщенню зимовими дорогами», — каже Нгуєн.

Потрібні зображення з усього світу

Поки що дослідники збирали дані лише з різних місць у східній Норвегії. Результати є багатообіцяючими та показують, що блискітки можна використовувати для класифікації розміру зерен снігу. Однак для більш точної класифікації типу снігу потрібен набагато більший обсяг даних, ніж вони працювали досі. Бажано із зображеннями з усього світу.

«Буде важливо отримати зображення з інших місць, де середовище інше. Розуміння того, як різні рівні забруднення відіграють роль у зовнішньому вигляді та властивостях снігу, буде мати вирішальне значення», — говорить Нгуєн.

Досвід на майбутнє

Крім того, що сніг важко інтерпретувати із зображень, давно виявилося, що сніг напрочуд складно відтворити цифровим способом.

«Штучні зображення снігу, які ми маємо сьогодні в комп’ютерних іграх і симуляторах, не набагато кращі, ніж білі поверхні», — каже Нгуєн.

Його відкриття також показали багатообіцяючі результати в цій галузі. Він вірить, що його робота дасть людям, які не мають доступу до снігу, хороші враження від зими – також у майбутньому, коли снігу може бути набагато менше.

За даними Норвезького метеорологічного інституту, більше одного мільйона норвежців у 2050 році будуть жити в місцях, де буде менше одного місяця зими. Крім того, нещодавнє дослідження в журналі Nature підтвердило, що всю Північну півкулю очікує майбутнє з меншою кількістю снігу в результаті антропогенної зміни клімату.

«Якщо ми хочемо навчити когось, хто, можливо, ніколи раніше не бачив сніг, що це таке, ми повинні мати можливість відтворити його у всій його складності», — каже Нгуєн.

Бартош Регула з Центру квантових обчислень RIKEN і Людовіко Ламі з Університету Амстердама показали за допомогою імовірнісних розрахунків, що, як і передбачалося, справді існує правило ентропії для явища квантової заплутаності. Це відкриття може допомогти краще зрозуміти квантову заплутаність, яка є ключовим ресурсом, що лежить в основі потужності майбутніх квантових комп’ютерів. Наразі мало що розуміють про оптимальні способи ефективного використання, незважаючи на те, що це було центром досліджень квантової інформаційної науки протягом десятиліть.

Другий закон термодинаміки, згідно з яким система ніколи не може перейти до стану з нижчою ентропією або порядком, є одним із найфундаментальніших законів природи і лежить в самому серці фізики. Це те, що створює «стрілу часу» і повідомляє нам про дивовижний факт, що динаміка загальних фізичних систем, навіть надзвичайно складних, таких як гази чи чорні діри, інкапсульована однією функцією — її ентропією.

Однак є ускладнення. Відомо, що принцип ентропії застосовується до всіх класичних систем, але сьогодні ми все більше досліджуємо квантовий світ.

Зараз ми переживаємо квантову революцію, і стає вкрай важливим зрозуміти, як ми можемо видобувати та трансформувати дорогі та крихкі квантові ресурси. Зокрема, квантова заплутаність, яка дає значні переваги в комунікації, обчисленнях і криптографії, має вирішальне значення, але через її надзвичайно складну структуру ефективне маніпулювання нею та навіть розуміння її основних властивостей зазвичай набагато складніше, ніж у випадку термодинаміки. .

Складність полягає в тому, що такий «другий закон» для квантової заплутаності вимагав би від нас показати, що перетворення заплутаності можна зробити оборотними,, так само як робота і тепло можуть взаємоперетворюватися в термодинаміці.

Відомо, що оборотність заплутаності набагато складніше забезпечити, ніж оборотність термодинамічних перетворень, і всі попередні спроби створити будь-яку форму оборотної теорії заплутаності зазнали невдачі. Було навіть підозра, що заплутування насправді може бути незворотнім, що робить квест неможливим.

У своїй новій роботі, опублікованій в Nature Communications, автори вирішують цю давню гіпотезу, використовуючи ймовірнісні перетворення заплутаності, які гарантовано будуть успішними лише деякий час, але які натомість забезпечують підвищену потужність у перетворенні квантових систем. .

За таких процесів автори показують, що дійсно можливо встановити оборотну структуру для маніпулювання заплутаністю, таким чином ідентифікуючи налаштування, в яких виникає унікальна ентропія заплутаності, і всі перетворення заплутаності керуються однією величиною. Методи, які вони використовували, можна було б застосовувати ширше, демонструючи подібні властивості оборотності також для більш загальних квантових ресурсів.

За словами Регули, «наші висновки знаменують значний прогрес у розумінні основних властивостей заплутаності, виявлення фундаментальних зв’язків між заплутаністю та термодинамікою, і, що важливо, значно спрощено розуміння процесів перетворення заплутаності.

«Це не тільки має безпосереднє і пряме застосування в основах квантової теорії, але також допоможе зрозуміти кінцеві обмеження нашої здатності ефективно маніпулювати заплутаністю на практиці».

Дивлячись у майбутнє, він продовжує: «Наша робота служить першим доказом того, що оборотність є досяжним явищем у теорії заплутаності. Проте були висунуті припущення про навіть сильніші форми оборотності, і є надія, що заплутаність можна зробити оборотною навіть за умови слабші припущення, ніж ми зробили в нашій роботі, зокрема, без необхідності покладатися на ймовірнісні перетворення.

«Проблема полягає в тому, що відповісти на ці запитання видається значно складнішим, вимагаючи розв’язання математичних та інформаційно-теоретичних проблем, які досі уникали будь-яких спроб їх розв’язання. Таким чином, розуміння точних вимог до оборотності залишається захоплюючою відкритою проблемою».

Дослідники виявили відсутню частину головоломки за рідкісним отвором у морському льоду навколо Антарктиди, який був майже вдвічі більшим за Уельс і стався взимку 2016 і 2017 років.

Дослідження, опубліковане в Science Advances, розкриває ключовий процес, який вислизав від вчених щодо того, як отвір, який називається полінія, зміг сформуватися та зберігатися протягом кількох тижнів. Стаття називається «Перенесення солі за допомогою Екмана як ключовий механізм формування поліній у відкритому океані на сході Мод».

Команда дослідників з Університету Саутгемптона, Університету Гетеборга та Університету Каліфорнії в Сан-Дієго вивчала полінію Мод Райз, названу на честь затопленої гори в морі Ведделла, над якою вона росте.

Вони виявили, що полінія була викликана складною взаємодією між вітром, океанськими течіями та унікальною географією дна океану, транспортуючи тепло та сіль до поверхні. В Антарктиді взимку поверхня океану замерзає, і морський лід покриває площу, яка приблизно вдвічі перевищує площу континентальних Сполучених Штатів.

У прибережних районах щороку відбуваються отвори в морському льоду. Тут сильні прибережні вітри здувають континент і відсувають лід, оголюючи морську воду внизу. Набагато рідше ці полінії утворюються в морському льоду над відкритим океаном, за сотні кілометрів від узбережжя, де моря мають глибину тисячі метрів.

Адітя Нараянан, науковий співробітник Університету Саутгемптона, який очолював дослідження, сказав: «Полінію Підйому Мод було виявлено в 1970-х роках, коли вперше були запущені супутники дистанційного зондування, які могли бачити морський лід над Південним океаном. Це зберігалося протягом послідовні зими з 1974 по 1976 рік, і тодішні океанографи припускали, що це буде щорічне явище, але з 1970-х років це відбувалося лише спорадично та через короткі проміжки часу.

«У 2017 році вперше з 1970-х років у морі Уедделла була така велика і довготривала полінія».

Протягом 2016 і 2017 років велика кругова океанська течія навколо моря Уедделла стала сильнішою. Одним із наслідків цього є те, що глибокий шар теплої солоної води піднімається, полегшуючи сіль і тепло вертикально змішуватися з поверхневою водою.

Фаб’єн Роке, професор фізичної океанографії в Університеті Гетеборга та співавтор дослідження, сказав: «Цей апвелінг допомагає пояснити, як може танути морський лід. Але коли морський лід тане, це призводить до освіження поверхневих вод. , що, своєю чергою, має припинити змішування. Отже, має відбуватися інший процес, щоб звідкись існувала додаткова кількість солі».

Дослідники використовували карти морського льоду дистанційного зондування, спостереження з автономних плавзасобів і позначених морських ссавців разом з обчислювальною моделлю стану океану. Вони виявили, що коли течія моря Ведделла обтікає узвишшя Мод, бурхливі вири переміщують сіль на вершину морської гори.

Звідси процес під назвою «транспорт Екмана» допоміг перемістити сіль на північний край височини Мод, де вперше утворилася полінія. Транспорт Екмана передбачає рух води під кутом 90 градусів до напрямку вітру, що дме над нею, впливаючи на океанські течії.

«Транспорт Екмана був основним відсутнім інгредієнтом, який був необхідний для збільшення балансу солі та підтримки змішування солі та тепла до поверхневих вод», — сказав співавтор, професор Альберто Навейра Гарабато, також із Саутгемптонського університету.

Полінії – це території, де відбувається величезний обмін тепла та вуглецю між океаном і атмосферою. Настільки, що вони можуть вплинути на тепло і вуглецевий бюджет регіону.

Професор Сара Ґіл з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго, інший співавтор дослідження, сказала: «Відбиток полінії може залишатися у воді протягом багатьох років після того, як вони сформувалися. Вони можуть змінювати те, як вода рухається навколо і як течії переносять тепло. густі води, які тут утворюються, можуть поширюватися через світовий океан».

Деякі з тих самих процесів, які брали участь у формуванні полінії Підняття Мод, наприклад підйом глибокої та солоної води, також спричиняють загальне зменшення морського льоду в Південному океані.

Професор Гілле додав: «Вперше з початку спостережень у 1970-х роках спостерігається негативна тенденція щодо морського льоду в Південному океані, яка почалася приблизно у 2016 році. До того вона залишалася дещо стабільною».

Вчені ще не досягли дна блакитної діри Таам Джа в мексиканській затоці Четумаль, яка, згідно з новими вимірюваннями, може бути пов’язана з лабіринтом підводних печер і тунелів. Мексиканська блакитна діра Таам Джа є найглибшою підводною воронкою у світі, як виявили дослідники, і вони ще навіть не досягли дна. 

Нові вимірювання показують, що блакитна діра Таам Джа (TJBH), яка знаходиться в затоці Четумал біля південно-східного узбережжя півострова Юкатан, простягається щонайменше на 1380 футів (420 метрів) нижче рівня моря. 

Це на 480 футів (146 м) глибше, ніж спочатку задокументували вчені, коли вони вперше виявили блакитну діру у 2021 році, і на 390 футів (119 м) глибше, ніж попередній рекордсмен — Синя діра Санша Йонле глибиною 990 футів (301 м). , також відомий як Діра Дракона, у Південнокитайському морі. 

«6 грудня 2023 року була проведена експедиція для підводного плавання з аквалангом, щоб визначити умови навколишнього середовища, що панують у TJBH», — пишуть дослідники в дослідженні, опублікованому в понеділок (29 квітня) в журналі Frontiers in Marine Science. Під час експедиції дослідники проводили вимірювання за допомогою профілю провідності, температури та глибини (CTD) — пристрою з набором зондів, які зчитують і передають властивості води на поверхню в режимі реального часу через кабель. Дані показали, що блакитна діра Таам Джа є «найглибшою з відомих блакитних дір у світі, її дно все ще не досягнуто», — пишуть дослідники в дослідженні. 

Профайлер також виділив різні шари води всередині блакитної діри, включаючи шар нижче 1312 футів (400 м), де умови температури та солоності нагадували умови Карибського моря та прилеглих прибережних рифових лагун. Відповідно до дослідження, це свідчить про те, що TJBH може бути з’єднаний з океаном через приховану мережу тунелів і печер.

Блакитні діри — це заповнені водою вертикальні каверни або воронки, які знаходяться в прибережних регіонах, де основна порода складається з розчинного матеріалу, такого як вапняк, мармур або гіпс. Вони утворюються, коли вода на поверхні просочується крізь скелю, розчиняючи мінерали та розширюючи тріщини, що зрештою призводить до руйнування скелі. Серед відомих прикладів — Блакитна діра Діна на Багамах, Блакитна діра в Дахабі в Єгипті та Велика блакитна діра в Белізі. 

Початкові вимірювання TJBH були зроблені за допомогою ехолота — приладу, який посилає звукові хвилі на дно води та вимірює швидкість, з якою вони повертаються, щоб обчислити відстань. Однак існують обмеження в техніці ехозондування в блакитних дірах через коливання щільності води та непередбачувану форму кожної діри, яка може бути не ідеально вертикальною.

«Підтвердження максимальної глибини було неможливим через обмеження приладів під час наукових експедицій у 2021 році», — пишуть дослідники в дослідженні.

Прилад CTD, використаний для недавньої роботи, також не знайшов дна блакитної діри, оскільки він міг працювати лише на глибині 1640 футів (500 м). Згідно з дослідженням, вчені опустили профайлер на цю глибину, але кабель, до якого він був прикріплений, міг дрейфувати на підводних течіях або натрапити на виступ, який зупинив пристрій на глибині 1380 футів.

Далі вчені планують «розшифрувати максимальну глибину TJBH і можливості формування частини підводної складної та потенційно взаємопов’язаної системи печер і тунелів», — пишуть дослідники.

«У глибинах TJBH також може лежати біорізноманіття, яке потрібно досліджувати», — додали вони.

Форми ссавців охоплюють як живі, так і вимерлі види, близькі до ссавців. Дослідження форм ссавців допомагає вченим розшифрувати еволюційний розвиток, відповідальний за різні особливості ссавців.

У двох послідовних дослідженнях у журналі Nature д-р Мао Фаньюань і д-р Чжан Чі з Інституту палеонтології та палеоантропології хребетних (IVPP) Академії наук Китаю разом із колегами з Австралії та Сполучених Штатів нещодавно повідомили про дві форми ссавців юрського періоду з Китаю, виявивши найдавнішу диверсифікацію зубів, середнє вухо нижньої щелепи та суглобово-квадратну суглобову трансформацію форм ссавців.

Дослідження надають ключову інформацію про еволюційний зсув від кісток щелеп рептилій до ранніх кісточок середнього вуха ссавців, представляючи нові погляди на раннє різноманіття форм ссавців і змінюючи ранню філогенію ссавців.

Шуотеріїди та еволюція зубів

Шуотеріїди були формами ссавців юрського періоду з псевдотрибосфеновими молярами, які мали «псевдоталонід» (подібну до басейну структуру) перед тригонідом у нижніх молярах. Навпаки, корінні зуби у живих ссавців мають трибосфенний малюнок, де талонід розташований за тригонідом і «приймає», тобто з’єднується з протоконусом верхнього моляра для обробки/жування їжі.

Традиційно шуотеріїди філогенетично групувалися з «австралосфеніданами» (включаючи живих однопрохідних), але цей зв’язок є суперечливим і залишає непоясненими деякі дивовижні морфологічні, палеогеографічні та функціональні питання форм ссавців.

У першій статті дослідники вивчили два екземпляри з середньоюрського місцезнаходження Даохугоу у Внутрішній Монголії та встановили новий рід і вид шуотеріїд, Feredocodon chowi.

Ґрунтуючись на доказах повних зубних рядів, оклюзійних взаємозв’язків і послідовної гомології зубів, дослідники запропонували нову інтерпретацію: псевдотрибосфенові моляри насправді гомологічні малюнку молярів докодонтанів.

Результати філогенетичного аналізу, реконструйованого на основі переглянутих характеристик зубів, свідчать про те, що Morganucodon-подібний предок незалежно дав початок трьом основним групам ссавців: Docodontiformes (Docodonta та Shuotheridia), Allotheria та Holotheria (symmetrodontans, therians та kin). Ключова особливість еволюції зубів у ранніх форм ссавців полягає в тому, що корінні зуби, які виникли внаслідок предків триконодонтів, як у Morganucodon , стали ширшими та складнішими для більш ефективної обробки їжі. Однак еволюційні процеси трьох груп відбувалися в різних напрямках.

Еволюція середнього вуха нижньої щелепи

У другій статті дослідники повідомили про нижньощелепні середні вуха (MdME) двох видів — один був шуотеріїдним Feredocodon, описаним вище, а інший — твариною, схожою на Morganucodon , із ранньоюрської біоти Луфенг під назвою Dianoconodon youngi.

Ці два види показали деякі нові морфологічні особливості, які підтверджують еволюційний перехід від кісток щелепного суглоба до кісточок середнього вуха у ранніх ссавців. Особливості нижньої щелепи свідчать про те, що один з подвійних щелепних суглобів предків Morganucodon, суглобово-квадратний суглоб, втратив свою несучу функцію у Dianoconodon, в той час, як нижньощелепне середнє вухо було краще пристосоване для слуху. Постзубні кістки шуотерідних видів є більш досконалими, демонструючи характеристики, придатні для суто слухової функції.

Нові дані дають уявлення про те, як окостенілий хрящ Меккеля функціонував як стабілізуючий механізм, і показують, що медіальне зміщення квадрата відносно суглобової кістки відіграло вирішальну роль у перетворенні щелепного суглоба, що несе навантаження, на структури середнього вуха.

Це дослідження рішуче підтверджує і посилює думку про те, що поступова еволюція середнього вуха ссавців є класичним прикладом еволюції хребетних.

Американські дослідники створили генномодифіковані бактерії, здатні розкладати міцний пластик. Цікаво, що в процесі використання матеріалу мікроорганізми надають йому ще більшої жорсткості, а ось після того, як він потрапить на звалище, розщеплять його в короткі терміни.

Пластик – універсальний матеріал нашого часу: він дешевий, хімічно стійкий та міцний. Однак саме остання властивість робить його утилізацію досить складною. На розкладання пластику йдуть десятки, а іноді й сотні років, через що такого роду відходи засмічують землю та океани. Тому вчені всього світу постійно думають про те, як найефективніше розщеплювати пластик і останніми роками були виявлені бактерії, які здатні це робити.

Харчуватися пластиком може, наприклад, Rhodococcus ruber, знищуючи до 1,2 відсотка маси поліетилену, який щорічно потрапляє до Світового океану. Щоправда, для цього потрібні відповідні умови навколишнього середовища, та й сам пластик, який здатні розщеплювати бактерії, зазвичай м’який. Набагато складніші справи з міцним матеріалом — наприклад, термопластичним поліуретаном, з якого виготовляють взуття, запчастини для автомобілів, чохли для телефонів та багато інших повсякденних товарів. Поки що такий вид пластику взагалі не підлягає вторинному перероблюванню.

Вчені з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго (США) вирішили потурбуватися про цю проблему. Вони звернули увагу на сінну паличку (Bacillus subtilis) – вид грампозитивних бактерій, яку одержують із сінного екстракту. При цьому бактерія зустрічається всюди — від кишківника людини та тварин до повітря та води. Ці мікроорганізми здатні розкладати пластик.

Дослідники запропонували впроваджувати Bacillus subtilis у сам матеріал. Цікаво те, що бактерія не розкладатиме пластик до того моменту, як він потрапить на звалище і стикнеться з ґрунтом. Щоб вона почала виробляти ферменти – пластик треба буквально закопати у компост. Тому користуватися такими виробами можна буде як завгодно довго. Але є проблема — висока температура, яка використовується у виробництві пластику, вбиває більшість бактеріальних суперечок.

Тому вчені створили ГМО-мікроби Bacillus subtilis, здатні протистояти нагріванню, і виявили, що від 96 до 100 відсотків суперечка таких бактерій здатна виживати при температурі обробки пластику в 135 градусів Цельсія. Це дуже перспективний результат, оскільки не генномодифіковані бактерії виживають при такому нагріванні лише приблизно у 20 відсотках випадків.

Після цього дослідники перевірили те, як добре Bacillus subtilis розкладають пластик. З’ясувалося, що при концентрації до одного відсотка від ваги пластику мікроорганізми розщеплюють понад 90 відсотків матеріалу протягом п’яти місяців після закапування компостом. Вчені виявили й інший приємний бонус — пластик, виготовлений з використанням Bacillus subtilis, на 37 відсотків міцніший і на 30 відсотків має меншу схильність до розриву, порівняно із звичайним термопластичним поліуретаном. Таким чином, суперечки бактерій діють на матеріал подібно до армуючого наповнювача. Дослідження опубліковано у журналі Nature Communications.