My Science Life:Scott Johnson, Διευθυντής του School Of Earth &Climate Sciences University of Maine
Καλωσορίσατε στη λειτουργία My Science Life του Δρ. Scott E. Johnson, καθηγητή Τεκτονικής και Δομικής Γεωλογίας και Διευθυντή της Σχολής Επιστημών της Γης και του Κλίματος στο Πανεπιστήμιο του Maine.
Ο τομέας εξειδίκευσής μου θα ταξινομηθεί γενικά ως Δομική Γεωλογία, αλλά αυτός ο τίτλος περιλαμβάνει πολλούς υποτομείς. Η δουλειά μου επικεντρώνεται κυρίως στο πώς η στερεά Γη ανταποκρίνεται σε διαφορετικούς τύπους φόρτισης (εφαρμοσμένες δυνάμεις) σε μια σειρά χωρικών και χρονικών κλιμάκων. Ένα παράδειγμα μακροπρόθεσμης φόρτισης μεγάλης κλίμακας είναι η αλληλεπίδραση τεκτονικών πλακών, όπως οι πλάκες του Ειρηνικού και της Βόρειας Αμερικής. Στην Καλιφόρνια, αυτές οι πλάκες γλιστρούν η μία από την άλλη και το όριο μεταξύ τους ονομάζεται ρήγμα San Andreas.
Ένα παράδειγμα βραχυπρόθεσμης, μικρής κλίμακας φόρτισης είναι η ενέργεια που απελευθερώνεται γύρω από μια ρήξη σεισμού που διαδίδεται. Αυτή η ενέργεια μπορεί να προκαλέσει εκτεταμένες ρωγμές σε κλίμακα κόκκων σε βράχους που περιβάλλουν μεγάλα ρήγματα σεισμών όπως το San Andreas. Τέλος, ένας άλλος τύπος φόρτισης είναι η θερμική, γιατί όταν τα ορυκτά αλλάζουν θερμοκρασία είτε διαστέλλονται (θέρμανση) είτε συστέλλονται (ψύξη). Η θερμική φόρτιση οδηγεί σε δυνάμεις κλίμακας κόκκων αρκετά μεγάλες ώστε να ραγίσουν τα πετρώματα. Γενικά, η φόρτιση οδηγεί σε παραμόρφωση και ένας από τους κύριους στόχους της δουλειάς μου είναι να εξετάσω τους μηχανισμούς με τους οποίους συμβαίνει η παραμόρφωση υπό συγκεκριμένες συνθήκες φόρτισης. Υπό αυτή την έννοια, ο τομέας εξειδίκευσής μου θα μπορούσε επίσης να ονομαστεί ρεολογία της γης, όπου η ρεολογία είναι η μελέτη του τρόπου με τον οποίο τα υλικά ανταποκρίνονται στα εφαρμοζόμενα φορτία.
Πώς είναι η δουλειά σας σε καθημερινή βάση (τυπική μέρα);
Κατά τη διάρκεια του 9μηνου ακαδημαϊκού έτους, προσπαθώ να σηκώνομαι γύρω στις 4 το πρωί και να κάνω έρευνα για 2-3 ώρες (αφού είπα στον εαυτό μου ότι μόνο ένας τρελός θα σηκωνόταν οικειοθελώς στις 4 το πρωί!). Αυτό συνήθως περιλαμβάνει ανάγνωση, γραφή και εκτέλεση αριθμητικών μοντέλων που έχουν σχεδιαστεί για να εξερευνούν την παραμόρφωση των πετρωμάτων. Είμαι πιο αποτελεσματικός στην έρευνα το πρωί, όταν το κεφάλι μου είναι καθαρό και δεν αποσπάται συνεχώς.
Πιείτε καφέ με την υπέροχη σύζυγό μου Bethany, που χρειάζεται λίγο περισσότερο ύπνο από εμένα.
Κατευθυνόμαστε και οι δύο στο γυμναστήριο για 1,5 ώρα. Η υγεία και η φυσική κατάσταση αποτελούν προτεραιότητες δια βίου για εμάς.
Πηγαίνετε στο γραφείο για μεγάλο μέρος της υπόλοιπης ημέρας. Η ρουτίνα μου εκεί μοιάζει με διαχειριζόμενο χάος. Υπάρχουν τάξεις για διδασκαλία, μεταπτυχιακοί φοιτητές για μέντορες, και επειδή είμαι Διευθυντής του σχολείου, υπάρχει πάντα ένα σωρό διοικητικές εργασίες να γίνουν. Διδάσκω ένα μάθημα ανώτερου επιπέδου που ονομάζεται Δομική Γεωλογία και ένα μάθημα εισαγωγικού επιπέδου που ονομάζεται Δυναμική Γη. Διδάσκω επίσης μαθήματα μεταπτυχιακού επιπέδου όταν χρειάζεται. Το διοικητικό μου έργο περιλαμβάνει πράγματα όπως άντληση ιδιωτικών κεφαλαίων, στρατηγικό σχεδιασμό, προγραμματισμό μαθημάτων για το επόμενο εξάμηνο, έγκριση δαπανών από τον ετήσιο προϋπολογισμό του σχολείου, υπογραφή εντύπων ενεργειών προσωπικού και μυριάδες άλλες μορφές, καθοδήγηση στην Επιτροπή Ομότιμων για ετήσιες αξιολογήσεις της απόδοσης του διδακτικού προσωπικού, μηνιαία συνεδριάσεις καθηγητών και μια σειρά από άλλα καθήκοντα. Το διοικητικό έργο είναι μερικές φορές επαχθές, αλλά μου δίνει μια βαθιά αίσθηση ικανοποίησης, γνωρίζοντας ότι, αναλαμβάνοντας αυτές τις ευθύνες, ελευθερώνω τους συναδέλφους μου από τη σχολή να επικεντρωθούν στην έρευνα και τη διδασκαλία τους.
Επισκεφτείτε το σπίτι και, μεταξύ άλλων, παίξτε κιθάρα για μια ή δύο ώρες. Μου αρέσουν τα διάφορα είδη μουσικής, αλλά αυτές τις μέρες παίζω κυρίως κλασική ροκ και μέταλ. Η Bethany είναι ντράμερ, κάτι που κάνει το παίξιμο επιπλέον διασκεδαστικό και επιβράβευση. Η Bethany και εγώ λατρεύουμε επίσης να μαγειρεύουμε, επομένως συνήθως περνάμε μια ώρα στην κουζίνα κάθε βράδυ φτιάχνοντας κάτι υγιεινό που είναι επίσης πραγματικά νόστιμο!
Συνήθως αφιερώνω μια ώρα πριν πάω για ύπνο κάνοντας περισσότερη έρευνα και ξεκαθαρίζοντας το email (και κάνοντας κρυφά μερικά ακόμα γλείψιμο κιθάρας!).
Πείτε μας για την έρευνά σας
Έχω ένα ευρύ φάσμα ενδιαφερόντων στους γενικούς τομείς της τεκτονικής, της δομικής γεωλογίας και της ρεολογίας. Έχω εργαστεί σε μαγματικά συστήματα, τεκτονική εξέλιξη μαγματικών τόξων και ζωνών βουνών, ελεγχόμενη από θραύση μετανάστευση πετρελαίου και αερίου, δυναμικό κατακερματισμό στον κύκλο του σεισμού και τη σύζευξη μεταξύ παραμόρφωσης και χημικής αντίδρασης σε παραμορφωμένα μεταμορφωμένα πετρώματα.
Κατά τη διάρκεια της καριέρας μου, έχω χαρτογραφήσει 100 τετραγωνικά χιλιόμετρα εκπληκτικής γεωλογίας στην Αυστραλία, τη Νέα Ζηλανδία, το Νεπάλ και το Μεξικό και έχω ταξιδέψει σε πολλά άλλα μέρη του κόσμου για να παρακολουθήσω συνέδρια και εκδρομές. Εκτός από το ότι είμαι στο πεδίο, μου αρέσουν επίσης οι μικροδομές βράχου, επομένως αφιερώνω πολύ χρόνο εξετάζοντάς τις χρησιμοποιώντας μια ποικιλία εργαλείων, όπως οπτικά και ηλεκτρονικά μικροσκόπια σάρωσης, και αριθμητικά εργαλεία όπως αυτό που φαίνεται στην Εικόνα 1.
Πιο πρόσφατα εργάστηκα σε βαθιά διαβρωμένα ρήγματα σεισμών για να κατανοήσω καλύτερα τον κύκλο του σεισμού και τη ρεολογία των σεισμών σε βάθος. Γνωρίζουμε πολλά για τα ρήγματα σεισμών στα ανώτερα λίγα χιλιόμετρα του φλοιού της Γης, επειδή μπορούμε να έχουμε πρόσβαση σε αυτά τα επίπεδα φλοιού μέσω επιφανειακών παρατηρήσεων, οπών διάνοιξης και σεισμολογικών πειραμάτων υψηλής ανάλυσης. Αλλά αν θέλουμε να μάθουμε, για παράδειγμα, πώς μπορεί να μοιάζει το ρήγμα του San Andreas σε βάθος 10-15 χιλιομέτρων, πρέπει να βρούμε ένα παρόμοιο αρχαίο ρήγμα που έχει εκτεθεί από διάβρωση εκατομμυρίων ετών. Ένα τέτοιο ρήγμα είναι το σύστημα ρηγμάτων Norumbega στο Maine, το οποίο είναι ένα από τα καλύτερα αρχαία ανάλογα για το ρήγμα του San Andreas που εκτίθεται επί του παρόντος στην επιφάνεια της Γης. Η ερευνητική μου ομάδα εργάζεται στο σύστημα Norumbega για σχεδόν μια δεκαετία. Τα πετρώματα με τα οποία εργαζόμαστε παραμορφώνονταν σε θερμοκρασίες 400-500 βαθμών Κελσίου όταν το ρήγμα ήταν σεισμικά ενεργό (~300 εκατομμύρια χρόνια πριν), που αντιστοιχεί σε βάθη 10-15 χιλιομέτρων. Μου αρέσουν τα πολυεπιστημονικά έργα και η συγκέντρωση ανθρώπων από διαφορετικούς τομείς για την αντιμετώπιση δύσκολων προβλημάτων στις επιστήμες της γης. Η συνεργασία με τους συναδέλφους μου μηχανικούς ήταν ιδιαίτερα ικανοποιητική, επειδή μπορέσαμε να σημειώσουμε πρόοδο σε τομείς που ήταν πολύ δύσκολες μαθηματικά και υπολογιστικά για μένα να αντιμετωπίσω μόνος μου.
Στο παράδειγμα που παρουσιάζεται, η τεχνική της διάθλασης οπισθοσκέδασης ηλεκτρονίων χρησιμοποιήθηκε μέσω ενός ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης για τη χαρτογράφηση των ορυκτών και των προτιμώμενων κρυσταλλογραφικών τους προσανατολισμών από ένα τμήμα γυαλισμένου βράχου πάχους 20 μικρομέτρων. Τα δεδομένα χρησιμοποιούνται ως είσοδος για την αριθμητική εργαλειοθήκη, η οποία αναδομεί τη μικροδομή και εφαρμόζει τις κατάλληλες ελαστικές μήτρες ακαμψίας σε κάθε ορυκτό κόκκο.
Στο σχήμα 2, ο «βράχος» τοποθετείται κάτω από ένα συμπιεστικό υδροστατικό φορτίο 180 Megapascals (που ισοδυναμεί με βάθος ~7 χιλιομέτρων στον ηπειρωτικό φλοιό) και στη συνέχεια αφήνεται να κρυώσει κατά 100 βαθμούς Κελσίου. Όταν τα πετρώματα κρυώνουν, το μεμονωμένο ορυκτό συστέλλεται κατά διαφορετικές ποσότητες σε διαφορετικές κατευθύνσεις. Με άλλα λόγια, διαθέτουν ανισότροπες ιδιότητες θερμικής διαστολής. Σε αυτό το παράδειγμα, σχεδιάζουμε τη μέγιστη κύρια τάση (σε Megapascals), όπου το κόκκινο (θετικό) είναι τάση και το μπλε (αρνητικό) είναι συμπίεση. Αυτή η ανισότροπη συστολή οδηγεί σε πολύ μεγάλες εφελκυστικές τάσεις σε κλίμακα κόκκων, οι οποίες θα προκαλούσαν μικρορωγμές. Αυτό είναι πολύ σημαντικό στη μηχανική αλλά και στις επιστήμες της γης, επειδή μια τέτοια μικρορωγμή οδηγεί σε αλλαγές στη ρεολογία του βράχου και δημιουργεί παροδική διαπερατότητα που διευκολύνει τη ροή του ρευστού. Αυτό έχει σημαντική εφαρμογή στα γεωθερμικά πεδία και στην κινητική των μεταμορφωτικών χημικών αντιδράσεων, για παράδειγμα.
Vel, S.S., Cook, A.C., Johnson, S.E., Gerbi, C., 2016. Computational Homogenization and Micromechanical Analysis of Textured Polycrystalline Materials. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 310, 749-779, https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0045782516308192
Ποιες είναι μερικές από τις μεγαλύτερες προκλήσεις στον τομέα σας;
Επειδή οι πλανήτες είναι αρκετά περίπλοκοι, βρισκόμαστε ακόμη πολύ στα πρώτα στάδια της κατανόησης της Γης. Υπάρχουν πολλές συναρπαστικές και κοινωνικά σημαντικές προκλήσεις που πρέπει να αντιμετωπιστούν. Στους ευρύτερους τομείς της τεκτονικής και της δομικής γεωλογίας, υπάρχουν αρκετά θέματα που ξεχωρίζουν ως μεγάλες προκλήσεις. Η κοινότητα Τεκτονικής και Δομικής Γεωλογίας στις ΗΠΑ βρίσκεται στη διαδικασία ολοκλήρωσης του τελικού σχεδίου μιας δήλωσης οράματος για το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών που περιγράφει πέντε μεγάλες προκλήσεις για μελλοντική έρευνα. Αυτά είναι:(1) κατανόηση της εξέλιξης της Γης και άλλων πλανητών μέσα στο χρόνο, (2) κατανόηση των μηχανισμών με τους οποίους παραμορφώνεται η Γη, (3) κατανόηση της φυσικής και χημικής συμπεριφοράς των σεισμών ρηγμάτων όπως το ρήγμα του San Andreas στην Καλιφόρνια. (4) κατανόηση των δυναμικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ διεργασιών που συμβαίνουν στην επιφάνεια της Γης και εκείνων που συμβαίνουν στο εσωτερικό της Γης και (5) ικανοποίηση των κοινωνικών αναγκών προάγοντας αυτούς τους ερευνητικούς στόχους.
Λαμβάνοντας τον αριθμό 2 παραπάνω, για παράδειγμα, τα μέλη της κοινότητάς μας έχουν από καιρό κατανοήσει τη σημασία της επισημοποίησης ενός εννοιολογικού πλαισίου και μιας ποσοτικής περιγραφής του τρόπου με τον οποίο παραμορφώνεται η στερεά Γη. Η παραμόρφωση επηρεάζει άμεσα την κοινωνία μέσω διεργασιών όπως οι σεισμοί, οι ηφαιστειακές εκρήξεις, η αλλαγή τοπίων και ο σχηματισμός φυσικών πόρων. Όλες οι πτυχές αυτής της παραμόρφωσης είναι σημαντικές ανεξάρτητα από το αν περιλαμβάνει οικοδόμηση βουνών που προκαλείται από τις αλληλεπιδράσεις των τεκτονικών πλακών για εκατομμύρια χρόνια, ανάκαμψη της επιφάνειας μετά το λιώσιμο των φύλλων πάγου για χιλιάδες χρόνια, την άνοδο του μάγματος για να τροφοδοτήσει τα ηφαίστεια κατά τη διάρκεια των ημερών. εβδομάδες ή τις σχεδόν στιγμιαίες κινήσεις σε ρήγματα κατά τη διάρκεια σεισμών.
Τι συμβουλές έχετε σε όσους ακολουθούν καριέρα στον τομέα σας;
Βρείτε κάτι στις επιστήμες της Γης που σας ενθουσιάζει και, στη συνέχεια, αφιερώστε την επαγγελματική σας ζωή στην επιδίωξή του. Δουλέψτε σκληρά, αλλά παίξτε σκληρά και προσέξτε την υγεία και τα χόμπι σας. Για να είσαι ευτυχισμένος στην καριέρα σου, πρέπει να αγαπάς αυτό που κάνεις. Για μένα, το να γίνω γεωλόγος ήταν το να είμαι σε εξωτερικούς χώρους και το να γίνω ακαδημαϊκός ήταν να έχω την ελευθερία να επιλέγω τι θα δουλέψω για έρευνα, και επομένως τι θα διδάξω στους μαθητές. Ποτέ δεν ξέρεις πραγματικά πού θα καταλήξεις σε μια καριέρα ή στη ζωή, αλλά αν βρεις κάτι που πραγματικά σε ενθουσιάζει και το κυνηγήσεις με πάθος, το πιθανότερο είναι ότι θα σε ανταμείψει κάπου.
Το έργο «My Science Life» αποτελεί βασικό μέρος της αποστολής του Science Trends να δώσει φωνή στους επιστήμονες και να τους επιτρέψει να συνδεθούν με δεκάδες χιλιάδες ανθρώπους. Είναι μια ευκαιρία για ανθρώπους, όπως εσείς, να μοιραστούν την «ιστορία» τους και με αυτόν τον τρόπο να κάνουν την επιστήμη πιο προσιτή και προσωπική.
Ενδιαφέρεστε να συμμετάσχετε στο έργο My Science Life; Μπορείτε να βρείτε τις λεπτομέρειες σχετικά με την υποβολή εδώ.
