Это был год, полный неожиданностей. COVID-19 заставил людей жить в закрытых помещениях, закрыл школы и убил множество людей. Помимо пандемии, были ураганы, лесные пожары, протесты и многое другое. Однако за некоторыми из этих потрясений стоит разворачивающееся событие, которое не подает признаков прекращения: изменение климата.

Изменение климата способствует возникновению многих бедствий, которые меняют жизни людей во всем мире. Здесь мы встречаемся со студентами, которые используют науку, чтобы помочь людям лучше понять и справиться с последствиями нашего меняющегося климата.

Их исследование помогло им попасть в число 30 финалистов 10-го конкурса Broadcom MASTERS. MASTERS — это математика, прикладные науки, технологии и инженерия для восходящих звезд. Это исследовательская программа, открытая для исследователей средней школы. Общество науки и общественности (которое издает новости науки для студентов) организовало мероприятие. Фонд Broadcom со штаб-квартирой в Ирвине, Калифорния, спонсирует его.

Некоторые дети разработали системы, помогающие обезопасить людей, поскольку изменение климата делает жизнь более непредсказуемой. Другие разработали способы сэкономить драгоценные ресурсы, такие как вода и нефть. И один студент применил уроки исследования, проведенного в миске для хлопьев, для моделирования тающих ледников.

Борьба с огнем и наводнением с помощью науки

Как и многие калифорнийцы, 12-летний Райан Хонари лично сталкивался с лесными пожарами. Ученик школы Пегас в Хантингтоне, он был со своим отцом на теннисном турнире в Аризоне, когда увидел по телевизору бушующие в его родном штате лесные пожары. «Горящие холмы выглядели так же, как холмы за моим домом», — вспоминает Райан. «Я позвонил маме и спросил, в порядке ли она». Узнав, что это так, он спросил отца, почему лесные пожары так часто выходят из-под контроля. «Мы планируем отправить людей на Марс, но мы не можем обнаружить лесные пожары», — говорит Райан.

Именно тогда Райан решил создать способ раннего обнаружения лесных пожаров — до того, как они выйдут из-под контроля. Он соединил вместе серию компьютеров Raspberry Pi. Некоторые из этих крошечных устройств были приспособлены для обнаружения дыма, огня и влажности. Их датчики передавали данные по беспроводной сети на другой Raspberry Pi. Этот немного более крупный компьютер служил мини-метеорологической станцией. По его оценкам, каждый датчик будет стоить около 20 долларов, а мини-станции — 60 долларов каждая.

Райан принес всю свою систему в парк и протестировал ее, удерживая пламя от зажигалки перед каждым датчиком. Когда они почувствовали пожар, они сообщили об этом детектору. Затем он предупредил приложение, созданное Райаном для своего телефона. Создавая это приложение, Райан разговаривал с Мохаммедом Качуи. Он аспирант Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Качуи помог Райану использовать машинное обучение для обучения своего приложения на данных из большого лагеря Camp Fire 2018 года. Приложение извлекло уроки из того, как этот огонь распространялся во времени. Используя эти данные, приложение «научилось» предсказывать, как может распространиться пламя на будущих событиях.

Когда-нибудь Райан надеется, что его сенсоры будут развернуты по всему штату. «Пять из самых страшных пожаров в Калифорнии произошли только за последние три месяца», — отмечает он. «Совершенно очевидно, что глобальное потепление и изменение климата только усугубляют проблемы с пожарами».

Более сильные ураганы — еще один симптом потепления климата. Сильный дождь и ураганы могут вызвать внезапные наводнения, которые появляются и исчезают на месте в течение нескольких минут. Одно такое внезапное наводнение стало незабываемым событием для 14-летнего Ишана Ахлувалиа.

В Портленде, штат Орегон, был дождливый день. «Моя семья ехала по шоссе», — вспоминает ученик девятого класса в средней школе иезуитов. «Мы ехали на предельной скорости». Но внезапная волна воды на дороге заставила машину свернуть. Это было аквапланирование. По его словам, это происходит, когда под шиной скапливается вода. При отсутствии трения шина проскальзывает «и машина тоже». Это может привести к несчастным случаям и серьезным авариям.

Ишан был удивлен, что в машине нет системы, которая могла бы определять, когда шины вот-вот соскользнут. Поэтому он пошел в свой гараж и поставил маленькую шину на беговую дорожку. Он подключил руль к компьютеру с акселерометром внутри. Когда беговая дорожка двигалась и колесо катилось, он лил вод на ленту беговой дорожки, чтобы образовался синтетический дождь. Затем компьютер измерил трение между колесом и лентой.

Затем, как и Райан, Ишан использовал машинное обучение. «В средней школе мои учителя естествознания действительно помогли мне сдвинуть с мертвой точки проект», — говорит он. Но следующим шагом было поговорить с инженером, который работает в соседнем Орегонском университете здравоохранения и науки. Под руководством этого инженера Ишан обучил созданную им систему связывать различные типы погоды с тем, сколько воды было на дороге. Затем он может связать эти уровни воды с способностью автомобиля маневрировать.

По словам Ишана, при установке в автомобиле эта система может выдавать уведомление в зеленом, желтом или красном цвете, чтобы предупреждать людей, когда они сталкиваются с риском потери контроля над рулевым управлением или торможением. Это также может помочь людям более безопасно управлять автомобилем, поскольку сильные дожди и наводнения становятся более частыми.

Экономия воды и остановка улиток

Так же, как может быть слишком много дождя, возможно и слишком мало. Дом Полин Эстрада во Фресно, штат Калифорния, находится в одном из такой подверженной засухи регионов. Восьмиклассница средней школы Гранит-Ридж увидела, как фермеры по соседству поливают свои поля. В таких засушливых регионах, как у нее, ни одна капля не пропадет даром. Поэтому она искала способ помочь производителям предсказать, когда их растениям действительно понадобится вода. Прямо сейчас, говорит Полин, фермеры измеряют влажность почвы, чтобы узнать, не хотят ли их растения пить. Но, отмечает она, это не показывает страдает ли само растение.

К счастью, у этой 13-летней девочки валялся меленький вездеход. Она построила роботизированный автомобиль. Полин также построила инфракрасную камеру. Она создает изображения с длинами волн света, которые человеческий глаз не видит. Инфракрасный свет часто используется для отображения тепла. Полин объясняет, что чем горячее растение, тем суше. По ее словам, когда у растения достаточно воды, «оно пропускает воду через листья». Это охлаждает воздух на поверхности листа. Но если растение сухое, оно будет задерживать воду, и поверхность листа будет горячее.

Полина прикрепила камеру к вездеходу и объезжала растения перца, которые она выращивала в горшках. Конечно же, ее передвижная камера могла определить, когда этим растениям нужна вода. Затем с помощью Дэйва Гураху, специалиста по растениеводству из Государственного университета Фресно, она провела исследование на своем вездеходе на перцовые фермерском поле.

Ее Infra-Rover в настоящее время сканирует только одно растение за раз. Полина надеется расширить свою систему, чтобы наблюдать за многими сразу. Она также планирует разработать систему, позволяющую прогнозировать, когда «горячим» растениям потребуется вода — до того, как они засохнут. «Важно не тратить воду впустую во время изменения климата», — говорит она. По ее словам, поливайте их тогда, когда они в этом нуждаются, а не раньше.

Как только эти культуры будут выращены, их нужно будет отправлять голодным людям во всем мире. Многие будут путешествовать на огромных грузовых судах, работающих на большом количестве ископаемого топлива. Фактически, на грузовые суда приходится три процента всего углекислого газа, выбрасываемого в воздух каждый год.

«Эти корабли будут сжигать меньше топлива, если они будут сталкиваться с меньшим трением в море, известным как сопротивление», — рассуждала Шарлотта Михалук. 14-летняя девочка сейчас учится в девятом классе Центральной средней школы Хоупвелл-Вэлли в Пеннингтоне, штат Нью-Джерси. Она занимается аквалангом с шестого класса, и Шарлотта знала, что одним из источников сопротивления был материал, растущий на корпусах кораблей. Моллюски, улитки и другие организмы способствуют этому биообрастанию. Их неровные тела увеличивают сопротивление, заставляя корабли работать тяжелее и сжигать больше топлива.

Шарлотта решила разработать новое, более скользкое покрытие для корпуса корабля, чтобы меньшее количество существ могло путешествовать автостопом. Она испытала различные материалы в водной версии аэродинамической трубы. Шарлотта любит деревообработку и ремесла. «Моя семья знает, где я была в доме, по моим следам ремесленных материалов», — говорит она. Она разработала пандус, который можно было покрыть разными материалами. Затем она измерила силу воды, стекающей с различных металлических и пластиковых покрытий, чтобы рассчитать их сопротивление.

Один материал оказался действительно хорошим для снижения сопротивления. Это тип силикона, называемый PDMS, — материал, состоящий из цепочек атомов кремния и кислорода. Шарлотта также протестировала некоторые поверхности, основанные на шкурах акул мако. Чешуйки, ограничивающие сопротивление акулам, известные как зубчики, хорошо справлялись с сопротивлением.

Но помешают ли они другим существам зацепиться за них? Чтобы выяснить это, Шарлотта отправилась на охоту за маленькими улитками в местных ручьях. Она поместила улиток в свой водный туннель и наблюдала, насколько хорошо они цепляются за разные поверхности. PDMS и искусственная кожа мако предотвращали прилипание улиток.

«Биообрастание — действительно большая проблема», — говорит она. Затронутые суда будут потреблять больше ископаемого топлива. И это, по ее словам, «способствует глобальному потеплению». Она надеется, что ее открытия когда-нибудь помогут кораблям легче скользить по воде и сэкономить топливо.

Глаза на льду

Может показаться, что ребенок с Гавайев не стал бы много думать о ледниках. Но 13-летний Райлан Колберт точно знает. Все началось, когда этот восьмиклассник средней школы Ваякэа в Хило впервые увидел новости об эксперименте по изучению того, как могут разрушиться плотины. Эти тесты изучали, как груды рисовой крупы разрушаются в молоке.

Крупа представляла собой воздушный рис. Но вскоре Райлан подумал про лед. «Думаю, накануне я попробовал лед [популярное угощение на Гавайях] и думал об этом», — говорит он. «И это заставило меня задуматься о ледниках» и о том, как их обрушение может повлиять на полярные регионы.

Райлан решил изучить, будет ли ледяная стружка разрушаться в воду, как рисовая крупа в исследовании, о котором он читал. Чтобы получить небольшое руководство, он написал Итаи Эйнаву по электронной почте. Он является соавтором исследования рисовых хлопьев в Сиднейском университете в Австралии. Эйнав ответил по электронной почте и стал «своего рода моим наставником», — говорит Райлан.

Используя холодильник в лаборатории своего отца в Гавайском университете, Райлан наполнил мензурки слоем гравия. Затем он добавил слой стружки льда, который послужил его моделью ледника. «Плотность струженного льда была примерно такой же, как у свежевыпавшего швабра», — говорит он. Он говорит, что это действительно важно; он имитирует развитие ледников. «Это начало процесса».

Райлан поставил микроскоп на бок в холодильнике, чтобы точно следить за тем, что произошло. «Чтобы смоделировать глобальное потепление, я закачал воду под стружку льда, и она уплотнилась», — отмечает Рилан. Он протестировал подаваемую воду при -1 ° Цельсия, а затем снова при 8 ° C. Эта более теплая вода имитировала потепление океана.

Как показал тест Райлана, лед с более теплой водой под ним уплотняется на семь процентов быстрее, чем лед на очень холодной воде. Он надеется, что его исследование поможет людям понять, как ледники образуются (или не образуются) по мере потепления мира. По его мнению, ключевым моментом является проведение дополнительных научных исследований в области изменения климата. В конце концов, говорит он, «кто-нибудь попадет в точку, и они скажут: «Эй, давай прекратим это».