لقد كان هذا العام مليئًا بما هو غير متوقع. أجبر كوفيد -19 الناس على التواجد في منازلهم ، وأغلق المدارس وقتل أكثر من 220 ألف أمريكي. إلى جانب الوباء ، كانت هناك أعاصير وحرائق غابات واحتجاجات وغير ذلك. لكن وراء بعض هذه الاضطرابات ، هناك حدث يتكشف ولا يُظهر أي علامة على التوقف:تغير المناخ.
يساهم تغير المناخ في العديد من الكوارث التي غيرت حياة الناس في جميع أنحاء العالم. هنا نلتقي بالطلاب الذين استخدموا العلوم لمساعدة الناس على فهم تأثيرات مناخنا المتغير والتعامل معها بشكل أفضل.
ساعد بحثهم في وضعهم بين 30 متأهلاً للتصفيات النهائية في 10 Broadcom MASTERS. MASTERS تعني الرياضيات والعلوم التطبيقية والتكنولوجيا والهندسة للنجوم الصاعدة. إنه برنامج بحثي مفتوح لمحققين من المدارس المتوسطة. جمعية العلوم والجمهور (التي تنشر أخبار علمية للطلاب ) خلق الحدث. مؤسسة Broadcom ، ومقرها في إيرفين ، كاليفورنيا ، ترعاها.
طور بعض الأطفال أنظمة للمساعدة في الحفاظ على سلامة الناس لأن تغير المناخ يجعل الحياة أكثر صعوبة. طور آخرون طرقًا لتوفير الموارد الثمينة ، مثل الماء والنفط. وطبق أحد الطلاب دروسًا من دراسة أجريت في وعاء حبوب لنمذجة ذوبان الأنهار الجليدية.
مكافحة النيران والفيضانات بالعلم
مثل العديد من سكان كاليفورنيا ، يتمتع رايان هوناري ، 12 عامًا ، بتجربة شخصية مع حرائق الغابات. كان طالبًا في مدرسة Pegasus في هنتنغتون ، وكان مع والده في بطولة تنس في أريزونا عندما شاهد حرائق الغابات مشتعلة في أنحاء ولايته على شاشة التلفزيون. يتذكر رايان قائلاً:"كانت التلال التي كانت تحترق تشبه التلال خلف منزلي تمامًا". "اتصلت بأمي وسألتها عما إذا كانت بخير." بمجرد أن علم أنها كذلك ، سأل والده لماذا خرجت حرائق الغابات عن السيطرة في كثير من الأحيان. يقول رايان:"نخطط لإرسال أشخاص إلى المريخ ولكن لا يمكننا اكتشاف حرائق الغابات".
كان ذلك عندما قرر رايان إنشاء طريقة لاكتشاف حرائق الغابات مبكرًا - قبل أن تخرج عن نطاق السيطرة. قام بربط سلسلة من أجهزة كمبيوتر Raspberry Pi. تم تجهيز بعض هذه الوحدات الصغيرة لاكتشاف الدخان والنار والرطوبة (كمية الماء الموجودة في الهواء). قامت أجهزة الاستشعار الخاصة بهم بنقل البيانات لاسلكيًا إلى Raspberry Pi آخر. كان هذا الكمبيوتر الأكبر قليلاً بمثابة محطة أرصاد جوية صغيرة. ويقدر أن كل جهاز استشعار سيكلف حوالي 20 دولارًا ، وستكلف المحطات الصغيرة 60 دولارًا لكل منها.
أحضر رايان نظامه بالكامل إلى حديقة واختبره بإمساك اللهب من ولاعة أمام كل جهاز استشعار. عندما شعر هؤلاء بوجود حريق ، أبلغوا الكاشف. ثم نبهت أحد التطبيقات التي أنشأها رايان لهاتفه. أثناء إنشاء هذا التطبيق ، تحدث رايان مع محمد كاتشوي. إنه طالب دراسات عليا في جامعة كاليفورنيا ، لوس أنجلوس. ساعد Kachuee Ryan على استخدام التعلم الآلي لتدريب تطبيقه على البيانات من Camp Fire 2018 الكبير. أخذ التطبيق دروسًا من كيفية انتشار هذا الحريق بمرور الوقت. باستخدام هذه البيانات ، "تعلم" التطبيق كيفية توقع انتشار اللهب في الأحداث المستقبلية.
في يوم من الأيام ، يأمل رايان أن يتم نشر أجهزة الاستشعار الخاصة به في جميع أنحاء ولايته. "خمسة من أسوأ الحرائق في كاليفورنيا حدثت للتو في الأشهر الثلاثة الماضية ،" يلاحظ. "لذا فمن الواضح أن الاحتباس الحراري وتغير المناخ يزيدان من تفاقم مشاكل الحرائق."
الأعاصير القوية هي عرض آخر لارتفاع درجة حرارة المناخ. يمكن للأمطار الغزيرة والعواصف أن تنتج فيضانات مفاجئة تظهر وتختفي محليًا في غضون دقائق. قدم أحد هذه الفيضانات المفاجئة تجربة لا تُنسى لإيشان أهلواليا ، 14.
كان يومًا ممطرًا في بورتلاند بولاية أوريغون. "كانت عائلتي تقود سيارتها على طريق سريع" ، هذا ما يتذكره طالب الصف التاسع الآن في المدرسة اليسوعية الثانوية في المدينة. "كنا نقود بأقصى سرعة." لكن شظية مفاجئة من الماء على الطريق جعلت السيارة تنحرف. كان مائيا. ويوضح أن هذا يحدث عندما تتراكم المياه تحت إطار. مع عدم وجود احتكاك ، ينزلق الإطار "وتنزلق السيارة أيضًا". هذا يمكن أن يؤدي إلى وقوع حوادث.
فوجئ إيشان بعدم وجود نظام في السيارة لاستشعاره عندما كانت الإطارات على وشك الانزلاق. لذلك ذهب إلى مرآبه ووضع إطارًا صغيرًا على جهاز المشي. لقد ربط العجلة بجهاز كمبيوتر بداخله مقياس تسارع. أثناء تحرك جهاز المشي وتدحرجت العجلة ، ركض الماء على الحزام لتكوين مطر صناعي. ثم قام الكمبيوتر بقياس الاحتكاك بين العجلة والحزام عند سقوط كميات متفاوتة من المطر.
ثم ، مثل رايان ، استخدم إيشان التعلم الآلي. يقول:"في المدرسة الإعدادية ، ساعدني مدرسو العلوم حقًا في إطلاق المشروع". لكن الخطوة التالية كانت التحدث إلى مهندس يعمل في جامعة أوريغون للصحة والعلوم. بتوجيه من هذا المهندس ، قام Ishan بتدريب النظام الذي أنشأه لربط أنواع مختلفة من الطقس بكمية المياه الموجودة على الطريق. يمكنه بعد ذلك ربط مستويات المياه هذه بقدرة السيارة على المناورة.
يقول Ishan ، إذا تم تركيبه في سيارة ، فقد يقدم هذا النظام إشعارًا باللون الأخضر أو الأصفر أو الأحمر لتحذير الأشخاص عندما يواجهون خطر فقدان السيطرة على التوجيه أو الكبح. كما يمكن أن يساعد الأشخاص على القيادة بأمان أكبر حيث أصبحت الأمطار الغزيرة والفيضانات أكثر شيوعًا.
توفير الماء ووقف القواقع
مثلما يمكن أن يكون هناك الكثير من الأمطار ، فمن الممكن أيضًا أن يكون القليل جدًا. يقع منزل بولين إسترادا في فريسنو بكاليفورنيا في إحدى هذه المناطق المعرضة للجفاف. رأى طالب الصف الثامن في مدرسة جرانيت ريدج المتوسطة مزارعين قريبين يسقون حقولهم. في المناطق الجافة مثل بلدها ، لن يضيع أي قطرة. لذلك سعت إلى طريقة لمساعدة المزارعين على التنبؤ عندما تحتاج نباتاتهم حقًا إلى الماء. في الوقت الحالي ، كما يقول بولين ، يقيس المزارعون رطوبة التربة لمعرفة ما إذا كانت نباتاتهم عطشى. لكنها لاحظت أن هذا لا يظهر ما إذا كان النبات نفسه يعاني.
لحسن الحظ ، كان لدى هذا الطفل البالغ من العمر 13 عامًا عربة جوالة ملقاة في الجوار. لقد صنعت السيارة الآلية من عدة. قام المراهق أيضًا ببناء كاميرا تعمل بالأشعة تحت الحمراء. فهو يصنع صورًا بأطوال موجية ضوئية لا تستطيع العين البشرية رؤيتها. غالبًا ما يستخدم ضوء الأشعة تحت الحمراء لرسم خريطة للحرارة. يوضح بولين أن النبات الأكثر سخونة هو نبات أكثر جفافاً. وتقول إنه عندما يكون لدى النبات ما يكفي من الماء ، "فإنه يترك الماء يمر عبر أوراقه". هذا يبرد الهواء على سطح الورقة. ولكن إذا كان النبات جافًا ، فسيتمسك بالماء ، وسيكون سطح الورقة أكثر سخونة.
ربطت بولين الكاميرا بمركبتها الجوالة وقادتها حول نباتات الفلفل التي نمت في الأواني. من المؤكد أن كاميرتها المتجولة يمكنها تحديد وقت احتياج هذه النباتات للماء. بعد ذلك ، بمساعدة ديف جووراهو ، عالِمة النباتات في جامعة ولاية فريسنو ، قامت بتشغيل عربتها الجوالة حول نباتات الفلفل في حقل مزرعة.
تقوم Infra-Rover الخاصة بها حاليًا بمسح مصنع واحد فقط في كل مرة. تأمل بولين في توسيع نطاق نظامها لمراقبة العديد في وقت واحد. كما أنها تخطط للعمل على نظام للتنبؤ بوقت احتياج النباتات الساخنة إلى الماء - قبل يصابون بالعطش. تقول:"من المهم عدم إهدار المياه أثناء تغير المناخ". سقيهم عندما يحتاجون إليه ، كما تقول ، وليس قبل ذلك.
الشرح:أول أكسيد الكربون وغازات الدفيئة الأخرى
بمجرد زراعة هذه المحاصيل ، ستحتاج إلى شحنها إلى الجياع في جميع أنحاء العالم. سيسافر الكثيرون على متن سفن شحن ضخمة تعمل بكميات كبيرة من الوقود الأحفوري. في الواقع ، تمثل سفن الشحن ثلاثة بالمائة من ثاني أكسيد الكربون المنبعث في الهواء كل عام.
كانت هذه السفن ستحرق وقودًا أقل إذا واجهت احتكاكًا أقل في البحر ، والمعروف باسم السحب ، حسب شارلوت ميتشالوك. الفتاة البالغة من العمر 14 عامًا هي الآن طالبة في الصف التاسع في مدرسة هوبويل فالي الثانوية المركزية في بينينجتون ، نيوجيرسي ، وهي غواصة تحت الماء منذ الصف السادس ، عرفت شارلوت أن أحد مصادر السحب كان الأشياء التي تنمو على أجسام السفن. تساهم البرنقيل والقواقع والكائنات الحية الأخرى في هذا الحشف الحيوي. تزيد أجسامهم المتكتلة من السحب ، مما يجعل السفن تعمل بجدية أكبر وتحرق المزيد من الوقود.
اختارت شارلوت تصميم طلاء جديد أكثر انزلاقًا لهيكل السفينة حتى يتمكن عدد أقل من المخلوقات من الركوب. اختبرت مواد مختلفة في النسخة المائية من نفق الرياح. شارلوت تحب النجارة والصناعات اليدوية. تقول:"تعرف عائلتي مكاني في المنزل بناءً على أثري في صناعة المواد". لقد صممت منحدرًا يمكنها تغطيته بمواد مختلفة. ثم قامت بقياس قوة المياه المتدفقة من مختلف الطلاءات المعدنية والبلاستيكية لحساب قوة السحب.
أثبتت إحدى المواد أنها جيدة حقًا في تقليل السحب. يسمى PDMS ، وهو نوع من السيليكون - مادة مصنوعة من سلاسل من السيليكون وذرات الأكسجين. اختبرت شارلوت أيضًا بعض الأسطح التي كانت تعتمد على جلود ماكو القرش. تعمل مقاييس السحب الشبيهة بسمك القرش ، والمعروفة باسم أسنان الأسنان ، بشكل جيد في قطع مقاومة المنحدر.
لكن هل سيمنعون أيضًا الكائنات الأخرى من الإمساك بها؟ لمعرفة ذلك ، ذهبت شارلوت للبحث عن حلزونات المثانة الصغيرة في الجداول المحلية. وضعت القواقع في نفقها المائي ولاحظت مدى قدرتها على التشبث بأسطح مختلفة. PDMS وجلد ماكو المزيف منع القواقع من الالتصاق.
"الحشف الحيوي مشكلة كبيرة حقًا" ، كما تقول. سوف تستهلك السفن المتضررة المزيد من الوقود الأحفوري. وهذا ، كما توضح ، "يساهم في الاحتباس الحراري". وتأمل أن تساعد اكتشافاتها يومًا ما السفن على الانزلاق بسهولة أكبر عبر الماء وتوفير الوقود.
عيون على الجليد
قد يبدو أن طفلًا من هاواي لن يقضي الكثير من الوقت في التفكير في الأنهار الجليدية. لكن رايلان كولبير ، 13 عامًا ، يفعل بالتأكيد. بدأ الأمر عندما رأى هذا الطالب في الصف الثامن في مدرسة واياكيا المتوسطة في هيلو لأول مرة أخبارًا عن تجربة حول كيفية انهيار السدود. كانت تلك الاختبارات قد درست كيفية انهيار أكوام حبوب الأرز في الحليب.
كانت الحبوب عبارة عن أرز منتفخ. لكن سرعان ما فكر رايلان في الجليد. يقول:"أعتقد أنني كنت قد حلق الثلج [حلوى شهيرة في هاواي] في اليوم السابق وكنت أفكر في ذلك". "وهذا قادني إلى التفكير في الأنهار الجليدية" وكيف يمكن أن يؤثر انهيارها على المناطق القطبية.
قرر Rylan دراسة ما إذا كان الجليد المحلوق سينهار في الماء مثل حبوب الأرز في الدراسة التي قرأ عنها. للحصول على القليل من التوجيه ، أرسل بريدًا إلكترونيًا إلى إتاي إيناف. شارك في تأليف دراسة حبوب الأرز في جامعة سيدني في أستراليا. عاد Einav عبر البريد الإلكتروني وأصبح "نوعًا من معلمي" ، كما يقول Rylan.
باستخدام ثلاجة في معمل والده بجامعة هاواي ، ملأ رايلان الأكواب بطبقة من الحصى. ثم أضاف طبقة من قطع الجليد لتكون بمثابة نموذج للنهر الجليدي. يقول:"كانت كثافة الجليد المحلوق حول كثافة العرض المتساقط حديثًا". هذا مهم حقًا ، كما يقول ؛ إنه يحاكي كيفية تطور الأنهار الجليدية. "هذه بداية العملية".
وضع مجهرًا على جانبه في الثلاجة لرصد ما حدث بالضبط. "لمحاكاة الاحتباس الحراري ، قمت بضخ الماء تحت الجليد المحلوق وضغطه ،" يلاحظ رايلان. اختبر الماء الذي تم ضخه عند -1 درجة مئوية (30 درجة فهرنهايت) ثم مرة أخرى عند 8 درجات مئوية (46 درجة فهرنهايت). تلك المياه الأكثر دفئًا تحاكي ارتفاع درجة حرارة المحيط.
أظهر رايلان أن الجليد الذي يحتوي على مياه أكثر دفئًا تحته ضغط أسرع بنسبة سبعة في المائة من الجليد فوق الماء شديد البرودة. يأمل أن تساعد أبحاثه الناس على فهم كيفية تشكل الأنهار الجليدية (أو عدم تشكلها) ، مع ارتفاع درجة حرارة العالم.
وهو يعتقد أن إجراء المزيد من البحث العلمي حول تغير المناخ أمر أساسي. في النهاية ، كما يقول ، "سوف تضرب المنزل مع شخص ما وسيقولون ،" مرحبًا ، دعنا نوقف هذا ".
يأمل بولين أن تؤدي المزيد من الأبحاث أيضًا إلى مزيد من الإجراءات. "يجب أن نتخذ جميع التدابير لمنع [تغير المناخ] قدر الإمكان" ، كما تقول. "بالمعدل الذي يحدث ، سوف يدمر الكوكب."
والذهاب لتحقيق الفوز
كانت شارلوت ميتشالوك من بين الفائزين الأوائل في مسابقة هذا العام. بالنسبة لعملها ، حصلت على جائزة المواهب بقيمة 10000 دولار أمريكي لإظهار التميز في العلوم أو التكنولوجيا أو الهندسة أو الرياضيات (STEM). تُمنح هذه الجائزة أيضًا تقديرًا لها لإظهارها المهارات القيادية والتقنية اللازمة للتميز في القوى العاملة في مجال العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات في القرن الحادي والعشرين و "لبناء مجتمع أفضل للغد".
حصلت Ishana Kumar على جائزة Samueli Foundation التي تبلغ 25000 دولار. درس الطفل البالغ من العمر 12 عامًا من مدينة تشاباكوا بولاية نيويورك ما إذا كان نوع من إجهاد العين يؤثر على تصورات الشخص "للألوان الخيالية". كما تُمنح الجائزة تقديراً لقيادتها وتعاونها وتفكيرها النقدي.
ومن بين الفائزين الآخرين في مسابقة هذا العام بقيمة 10000 دولار:
- جوليان أولشوانج ، 14 عامًا ، من لوس أنجلوس ، كاليفورنيا ، الذي طور قفازًا منخفض التكلفة يمكنه تحويل لغة الإشارة إلى نص أو كلام.
- Kai Vernooy ، 14 عامًا ، من Niskayuna ، N.Y. بالنسبة لمشروعه التأهيلي ، درس كاي التلاعب في الدوائر الانتخابية وكيفية رسم دوائر انتخابية أكثر عدلاً.
- زوي وايزمان ، 14 عامًا ، من بلانتيشن ، فلوريدا. سعى مشروعها المؤهل إلى تحديد البدائل الطبيعية لمسكنات الألم الأفيونية.
