Det här har varit ett år fullt av det oväntade. COVID-19 har tvingat människor inomhus, stängt skolor och dödat mer än 220 000 amerikaner. Förutom pandemin har det förekommit orkaner, skogsbränder, protester och mer. Bakom några av dessa omvälvningar ligger dock en händelse som inte visar några tecken på att upphöra: klimatförändringarna.
Klimatförändringarna bidrar till många av de katastrofer som har förändrat liv runt om i världen . Här möter vi studenter som har använt vetenskap för att hjälpa människor att bättre förstå och hantera effekterna av vårt föränderliga klimat.
Deras forskning hjälpte till att placera dem bland 30 finalister på 10
th Broadcom MASTERS. MASTERS står för Math, Applied Science, Technology and Engineering för Rising Stars. Det är ett forskningsprogram som är öppet för utredare i mellanstadiet. Society for Science & the Public (som publicerar Science News for Students) skapade evenemanget. Broadcom Foundation, med huvudkontor i Irvine, Kalifornien, sponsrar det.
Några av barnen utvecklade system för att hålla människor säkra eftersom klimatförändringarna gör livet mer oförutsägbart. Andra utvecklade sätt att spara värdefulla resurser, som vatten och olja. Och en elev använde lektioner från en studie gjord i en flingeskål för att modellera smältande glaciärer.
Precis som många kalifornier har Ryan Honary, 12, personlig erfarenhet av skogsbränder. En elev vid Pegasus School i Huntington var han med sin far på en tennisturnering i Arizona när han såg skogsbränder rasa över hans hemstat på TV. “Kullarna som brann såg ut precis som kullarna bakom mitt hus”, minns Ryan. “Jag ringde min mamma och frågade om hon var okej.” När han väl visste att hon var det frågade han sin pappa varför skogsbränder gick utom kontroll så ofta. “Vi planerar att skicka folk till Mars men vi kan inte upptäcka skogsbränder,” säger Ryan.
Det var då Ryan bestämde sig för att skapa ett sätt att upptäcka skogsbränder tidigt – innan de kommer ut av kontroll. Han länkade samman en serie Raspberry Pi-datorer. Några av dessa små enheter monterades för att upptäcka rök, eld och fukt (hur mycket vatten som finns i luften). Deras sensorer vidarebefordrade data trådlöst till en annan Raspberry Pi. Den här lite större datorn fungerade som en meteorologisk ministation. Han uppskattar att varje sensor skulle kosta cirka 20 USD, och ministationerna skulle kosta 60 USD styck.
Ryan tog med hela sitt system till en park och testade det genom att hålla lågan från en tändare framför varje sensor. När dessa kände av en brand, informerade de detektorn. Den larmade sedan en app som Ryan byggt för sin telefon. När Ryan skapade den appen pratade Ryan med Mohammed Kachuee. Han är doktorand vid University of California, Los Angeles. Kachuee hjälpte Ryan att använda maskininlärning för att träna sin app med data från den stora Camp Fire 2018. Appen tog lärdomar från hur denna brand hade färdats över tiden. Med hjälp av dessa data “lärde sig” appen att förutsäga hur lågor vid framtida händelser kan sprida sig.
En dag hoppas Ryan att hans sensorer kan vara utplacerade i hela hans tillstånd. “Fem av de värsta bränderna i Kalifornien inträffade just under de senaste tre månaderna”, konstaterar han. “Så det är ganska uppenbart att global uppvärmning och klimatförändringar bara gör brandproblemen värre.”
Starkare orkaner är ytterligare ett symptom på ett uppvärmande klimat. Kraftiga regn och stormar kan orsaka plötsliga översvämningar som dyker upp och försvinner lokalt inom några minuter. En sådan översvämning gav en minnesvärd upplevelse för Ishan Ahluwalia, 14.
Det var en regnig dag i Portland, Ore. “Min familj körde på en motorväg”, minns den nu nionde klassaren på Jesuit High School i staden. – Vi körde i hastighetsgränsen. Men ett plötsligt vattenlag på vägen fick bilen att svänga. Det var vattenplaning. Detta inträffar när vatten samlas under ett däck, förklarar han. Utan friktion slirar däcket “och bilen slirar också.” Detta kan leda till olyckor.
Ishan var förvånad över att det inte fanns något system i en bil för att känna av när däcken var på väg att glida. Så han gick till sitt garage och satte ett litet däck på ett löpband. Han kopplade ratten till en dator med en accelerometer inuti. När löpbandet rörde sig och hjulet rullade, rann han vatten ner i bältet för att göra syntetiskt regn. Datorn mätte sedan friktionen mellan hjulet och bältet när olika mängder regn föll.
Då, precis som Ryan, använde Ishan maskininlärning. “På mellanstadiet hjälpte mina naturvetenskapslärare mig verkligen att få igång projektet”, säger han. Men nästa steg var att prata med en ingenjör som arbetar vid Oregon Health and Science University i närheten. Med den ingenjörens vägledning tränade Ishan systemet han byggde för att associera olika typer av väder med hur mycket vatten som fanns på vägen. Det skulle sedan kunna koppla dessa vattennivåer till en bils förmåga att manövrera.
Om det installeras i en bil, säger Ishan, kan det här systemet erbjuda ett meddelande i grönt, gult eller rött för att varna människor när de riskerade att tappa kontrollen över styrning eller bromsning. Det kan också hjälpa människor att köra säkrare eftersom kraftiga regn och översvämningar blir vanligare.
Precis som det går att få alldeles för mycket regn så går det också att få alldeles för lite. Pauline Estradas hem, i Fresno, Kalifornien, ligger i en sådan torkutsatt region. Åttondeklassaren på Granite Ridge Intermediate School såg närliggande bönder vattna sina åkrar. I torra områden som hennes skulle ingen droppe gå till spillo. Så hon sökte ett sätt att hjälpa odlare att förutsäga när deras växter verkligen behövde vatten. Just nu, säger Pauline, mäter bönder markfuktigheten för att se om deras växter är törstiga. Men, konstaterar hon, det visar inte om växten själv lider.
Lyckligtvis hade den här 13-åringen en rover liggandes. Hon hade byggt robotfordonet från ett kit. Tonåringen byggde också en infraröd kamera. Den gör bilder med ljusvåglängder som det mänskliga ögat inte kan se. Infrarött ljus används ofta för att kartlägga värme. En hetare växt är en torrare växt, förklarar Pauline. När en växt har tillräckligt med vatten, säger hon, “låter den vatten gå genom sina blad.” Detta kyler luften på bladets yta. Men om plantan är torr kommer den att hålla i vatten, och bladytan blir varmare.
Pauline fäste kameran på sin rover och körde den runt pepparplantor som hon odlat i krukor . Visst, hennes rörliga kamera kunde upptäcka när dessa växter behövde vatten. Sedan, med hjälp av Dave Goorahoo, en växtforskare vid Fresno State University, körde hon sin rover runt pepparplantor på en lantgård.
Hennes Infra-Rover skannar för närvarande bara en växt på en tid. Pauline hoppas kunna skala upp sitt system för att observera många samtidigt. Hon planerar också att arbeta på ett system för att förutsäga när heta växter kommer att behöva vatten – innan de blir uttorkade. “Det är viktigt att inte slösa vatten under klimatförändringarna”, säger hon. Vattna dem när de behöver det, säger hon, inte innan.
Förklarare: CO2 och andra växthusgaser
När dessa grödor väl har odlats måste de skickas till hungriga människor Över hela världen. Många kommer att resa på enorma lastfartyg som drivs av stora mängder fossila bränslen. Faktum är att lastfartyg står för tre procent av all koldioxid som släpps ut i luften varje år.
De fartygen skulle förbränna mindre bränsle om de stötte på mindre friktion till sjöss, så kallad drag, resonerade Charlotte Michaluk. 14-åringen går nu i niondeklass vid Hopewell Valley Central High School i Pennington, NJ. En dykare sedan sjätte klass, Charlotte visste att en källa till motstånd var saker som växte på fartygsskrov. Havstulpaner, sniglar och andra organismer bidrar till denna biologiska förorening. Deras klumpiga kroppar ökar motståndet, vilket gör att fartygen arbetar hårdare och förbränner mer bränsle.
Charlotte valde att designa en ny, halare beläggning för ett fartygs skrov så att färre varelser skulle kunna åka. Hon testade olika material i den akvatiska versionen av en vindtunnel. Charlotte älskar träbearbetning och slöjd. “Min familj vet var jag har varit i huset baserat på mitt spår av hantverksmaterial”, säger hon. Hon designade en ramp som hon kunde belägga med olika material. Sedan mätte hon kraften i vattnet som strömmade från olika metall- och plastbeläggningar för att beräkna deras motstånd.
Ett material visade sig vara riktigt bra för att minska motståndet. Kallas PDMS, det är en typ av silikon – ett material tillverkat av kedjor av kisel och syreatomer. Charlotte testade också några ytor som hade varit baserade på mako-hajskinn. De hajliknande dragbegränsande fjällen, så kallade denticles, fungerade bra för att minska rampens motstånd.
Men skulle de också hindra andra varelser från att haka fast? För att ta reda på det gick Charlotte på jakt efter små blåsniglar i lokala vattendrag. Hon satte in sniglarna i sin vattentunnel och observerade hur bra de kunde hålla fast vid olika ytor. PDMS och den falska mako-huden hindrade sniglar från att fastna.
“Biofouling är ett riktigt stort problem”, säger hon. Drabbade fartyg kommer att förbruka mer fossila bränslen. Och det, förklarar hon, “bidrar till den globala uppvärmningen.” Hon hoppas att hennes upptäckter en dag kan hjälpa fartyg att glida lättare genom vattnet – och spara bränsle.
Det kan verka som att ett barn från Hawaii inte skulle ägna mycket tid åt att tänka på glaciärer. Men Rylan Colbert, 13, gör det säkert. Det började när den här åttondeklassaren vid Waiakea Intermediate School i Hilo först såg nyheter om ett experiment om hur dammar kan kollapsa. Dessa tester hade studerat hur högar av risflingor kollapsade i mjölk.
Flingan var puffat ris. Men Rylan tänkte snart på is. “Jag tror att jag hade rakat is dagen innan och jag tänkte på det, säger han. “Och det fick mig att tänka på glaciärer” och hur deras kollaps kan påverka polarområdena.
Rylan bestämde sig för att undersöka om rakad is skulle kollapsa i vatten som risflingorna hade i studien. hade läst om. För lite vägledning mailade han Itai Einav. Han är medförfattare till rissädesstudien vid University of Sydney i Australien. Einav mailade tillbaka och blev “snäll av min mentor”, säger Rylan.
Leave a Reply