Φαινόμενο χιονοστιβάδας προβλέπει σεισμούς!

Μια νέα θεωρία για τη συμπεριφορά των υλικών κατά την εξισορρόπηση δυνάμεων ανέπτυξε έλληνας ερευνητής του Πανεπιστημίου Yale

 

Κουίζ: Τι κοινό μπορεί να έχει μια χαρτοπετσέτα που βρέχεται αργά-αργά καθώς νερό κυλάει προς το μέρος της, τα άτομα ενός κρυστάλλου που συμπιέζεται και ένας σεισμός; Ως πριν από λίγο καιρό δεν υπήρχε απάντηση στο παραπάνω ερώτημα. Για την ακρίβεια, κανείς δεν μπορούσε να συνδέσει αυτά τα τρία φαινόμενα. Τώρα όμως, χάρη στην πρωτοποριακή μελέτη ενός έλληνα θεωρητικού φυσικού, του δρος Στέφανου Παπανικολάου, και των πειραματικών φυσικών και μηχανολόγων μηχανικών συνεργατών του γνωρίζουμε ότι η απάντηση στο κουίζ είναι οι... χιονοστιβάδες! Οχι, όχι οι γνωστές χιονοστιβάδες, αλλά ένα φαινόμενο με μορφή χιονοστιβάδας το οποίο μελετάται εδώ και μια δεκαετία.  

Μέχρι πρόσφατα το φαινόμενο θεωρούνταν τυχαίο, αλλά φαίνεται ότι δεν είναι. To «ΒHMAScience» μίλησε με τον έλληνα φυσικό ο οποίος εργάζεται στο Πανεπιστήμιο Yale προκειμένου να μάθουμε πώς το καταιγιστικό φαινόμενο της χιονοστιβάδας μπορεί να επιδρά στη ζωή μας.

Οι κρύσταλλοι και η... χαρτοπετσέτα

Οπως προκύπτει από το άρθρο του Στέφανου Παπανικολάου και των συνεργατών του στο τεύχος της 25ης Οκτωβρίου 2012 της επιστημονικής επιθεώρησης «Nature» (Quasi-periodic events in crystal plasticity and the self-organized avalanche oscillator, σελ. 517-521), για την εργασία χρησιμοποιήθηκαν μικροκρύσταλλοι νικελίου. «Πρόκειται για ένα υλικό το οποίο χρησιμοποιείται εκτενώς: από την κατασκευή γεφυρών ως την αεροναυπηγική» σημείωσε ο έλληνας θεωρητικός φυσικός και προσέθεσε: «Αυτό που εμείς θελήσαμε να κάνουμε είναι να μελετήσουμε τη θεμελιώδη συμπεριφορά των μικροκρυστάλλων νικελίου. Για την ακρίβεια, να μελετήσουμε τη μετακίνηση των ατόμων του κρυστάλλου όταν αυτός υφίσταται παραμόρφωση εξαιτίας της άσκησης μιας ολοένα αυξανόμενης πίεσης η οποία εφαρμόζεται με αργό ρυθμό».

Το κλειδί του πειραματισμού της ερευνητικής ομάδας είναι ακριβώς ο αργός ρυθμός. Πάρτε για παράδειγμα τη χαρτοπετσέτα η οποία υγραίνεται. Η ταχεία ρίψη ενός ολόκληρου ποτηριού νερού πάνω της θα είχε αποτέλεσμα η χαρτοπετσέτα να βραχεί ολόκληρη σε πολύ μικρό χρόνο και το φαινόμενο που ο έλληνας ερευνητής και οι συνεργάτες του ήθελαν να μελετήσουν δεν θα ελάμβανε χώρα ποτέ. Οταν όμως η χαρτοπετσέτα βρέχεται καθώς το νερό κυλάει αργά-αργά προς το μέρος της στο σύνορο υγρού και χαρτιού γίνεται το εξής: το νερό κάνει ένα βήμα προς τη χαρτοπετσέτα και μετά σταματά, ύστερα κάνει πάλι ένα βήμα και μετά σταματά. Τα βήματα δεν μοιάζουν με σκαλιά, είναι κάποτε μικρά και κάποτε μεγάλα. Δηλαδή, ενώ το νερό υγραίνει τη χαρτοπετσέτα με αργό ρυθμό, σε τυχαία χρονικά διαστήματα η ταχύτητα βρεξίματος της χαρτοπετσέτας αυξάνεται ραγδαία.

Αυτό που κατέδειξαν ο Στέφανος Παπανικολάου και οι συνεργάτες του είναι ότι η σπασμωδική αυτή συμπεριφορά χαρακτηρίζεται από περιοδικές εξάρσεις που δεν εξαρτώνται από τα υλικά (εν προκειμένω από τη χαρτοπετσέτα ή το νερό) αλλά από το μέγεθος του ρυθμού αργών ομαλών διαδικασιών εξισορρόπησης δυνάμεων στα υλικά. «Αυτή η ενδογενής περιοδικότητα παρουσιάζεται και γίνεται εμφανής όταν στα διαστήματα που δεν εμφανίζεται σπασμωδικότητα ο κρύσταλλος χρησιμοποιεί έντονα άλλους, πιο αργούς και ομαλούς τρόπους για να εξομαλύνει τις συγκεντρώσεις πίεσης, χαρακτηριστικούς της δομής του και των ιδιοτήτων του» μας είπε ο δρ Παπανικολάου. Το φαινόμενο όμως που μελέτησε ο έλληνας ερευνητής διαθέτει άλλη μια ιδιότητα που εκπλήσσει: την ικανότητα αυτοοργάνωσης. Οπως εξήγησε ο δρ Παπανικολάου, «έτσι και αρχίσει, το φαινόμενο αυτοαναπαράγεται αέναα».

Οι μεγασεισμοί του Καναδά

Ανάλογη συμπεριφορά με αυτή που μελετήθηκε στους κρυστάλλους, το μέγεθος των οποίων δεν ξεπερνά μερικά μικρόμετρα, φαίνεται ότι παρατηρείται στα παράλια των δυτικών ακτών του Καναδά. Η περιοχή χαρακτηρίζεται από έντονη σεισμική δραστηριότητα με σεισμούς που ξεπερνούν τα 7 ρίχτερ και με ιστορικές ενδείξεις για σεισμούς-μαμούθ 9+ ρίχτερ κάθε τρεις-τέσσερις αιώνες. Σε αυτήν την περιοχή, η δυνατότητα δορυφορικής παρακολούθησης των τεκτονικών πλακών, και μάλιστα με συχνότητα δευτερολέπτου, αποκάλυψε την αργή μετακίνησή τους σε βάθος 25 χιλιομέτρων από την επιφάνεια του εδάφους. Το εκπληκτικό εύρημα των τελευταίων χρόνων είναι ότι σε αυτό το βάθος, όπου οι πλάκες συναντώνται με το μάγμα, εμφανίζεται έξαρση σπασμωδικότητας κάθε σχεδόν ένα χρόνο, περίπου περιοδικά, φαινόμενο γνωστό ως ETS -episodic tremor and slip. Αυτό το φαινόμενο είναι πολύ πιθανό να έχει την ίδια θεμελιώδη εξήγηση με το φαινόμενο στους μικροκρυστάλλους, αφού εμφανίζεται όταν η θερμοκρασία και ρυθμοί χαλάρωσης αυξάνονται ραγδαία. Παρά το γεγονός ότι οι μικροσεισμοί στο βάθος αυτό δεν γίνονται αντιληπτοί στην επιφάνεια, η κατανόησή τους ενδέχεται να οδηγήσει στη βαθύτερη κατανόηση των μεγάλων σεισμών στην επιφάνεια, ως μέρος του συνολικού συστήματος των τεκτονικών πλακών.

Περιττό να πούμε ότι το ερώτημα που θέσαμε στον έλληνα θεωρητικό φυσικό ήταν αν τα ευρήματά του θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν στην πρόβλεψη σεισμών. «Αν με αυτό ρωτάτε, να σας πούμε την ημέρα και την ώρα που θα γίνει ένας σεισμός, η απάντηση είναι αρνητική. Αλλά υπάρχει μια δυνατότητα πρόβλεψης. Γνωρίζουμε ότι η αύξηση του βάθους μικραίνει την περίοδο του φαινομένου. Οι σεισμικές δονήσεις στα 20 χιλιόμετρα από την επιφάνεια είναι συχνότατες, ενώ στην επιφάνεια μπορεί να υπάρχει ένας εξαιρετικά δυνατός σεισμός κάθε 300-400 χρόνια. Βάσει ενός μοντέλου σαν του δικού μας, θα μπορούσαμε να εντοπίσουμε τη δεκαετία μέσα στην οποία θα συμβεί ένας τέτοιος σεισμός».       

ΑΠΟ ΤΑ ΜΕΤΑΛΛΑ ΣΤΗ ΒΙΟΛΟΓΙΑ

Χιονοστιβάδα και στον... εγκέφαλο

Τα ευρήματα του δρος Παπανικολάου και των συνεργατών του αναμένεται να βρουν σύντομα εφαρμογές στη δημιουργία και μελέτη άμορφων στερεών, όπως για παράδειγμα των «μεταλλικών γυαλιών», μετάλλων που είναι σκληρά σαν ατσάλι σε θερμοκρασίες δωματίου, ενώ μαλακώνουν με την αύξηση της θερμοκρασίας τόσο ομαλά όσο τα πλαστικά, όντας ιδανικά για την κατασκευή νανοδομών.

Ωστόσο αυτό που πραγματικά ενδιαφέρει αυτή τη στιγμή τον έλληνα φυσικό είναι το γεγονός ότι το φαινόμενο που περιέγραψε φαίνεται πως  υπάρχει όχι μόνο στον άβιο αλλά πιθανότατα και στον έμβιο κόσμο: «Συνεργαζόμαστε με νευροεπιστήμονες για να διερευνήσουμε αν το φαινόμενο λαμβάνει χώρα στον εγκέφαλο κατά τη διάρκεια του ύπνου. Είναι γνωστό ότι η λειτουργία των νευρώνων όταν ο εγκέφαλος είναι ενεργός είναι σπασμωδική με παρόμοια χαρακτηριστικά όπως οι τεκτονικές πλάκες. Ομως, όταν ο εγκέφαλος οδηγείται στη χαλάρωση και στον ύπνο, πριν από τη φάση REM, το δίκτυο των νευρώνων παρουσιάζει έντονες ταλαντώσεις σε μικρές συχνότητες, φαινόμενο γνωστό για μισό αιώνα ως "αργός κυματώδης ύπνος" (SWS - slow wave sleep). Είναι πολύ πιθανό ότι ανακαλύψαμε τη γενική φυσική αιτία της εμφάνισης αυτών των ταλαντώσεων, ανεξαρτήτως της φύσεως του ζωντανού οργανισμού και του εγκεφάλου. Αυτή τη στιγμή μελετάμε σε βάθος τις πιθανές συνέπειες της θεωρίας μας».

Σουφλέρη Ιωάννα Α.

.tovima.gr/

11/11/12

--------------

Οι μικροσυστοιχίες κρυστάλλων νικελίου οι οποίες χρησιμοποιήθηκαν για τον πειραματισμό του δρος Παπανικολάου και των συνεργατών του. Η επίδραση των δυνάμεων που ασκήθηκαν στους μικροκρυστάλλους μελετήθηκε σε ατομικό επίπεδο και τα δεδομένα χρησιμοποιήθηκαν για τη δημιουργία του θεωρητικού μοντέλου που περιγράφει πλήθος φυσικών φαινομένων