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宇宙2合1:月全食与超级月亮结合“血月”
Cosmic 2-for-1: Total lunar eclipse combines with supermoon宇宙2合1:月全食与超级月亮结合 by Marcia DunnIn this Monday, Jan. 21, 2019 file photo, the Earth's shadow falls across the full moon seen above Brighton, southeast England. The first total lunar eclipse in more than two years coincides with a supermoon this week for a cosmic show. This super "blood" moon will be visible Wednesday, May 26, 2021 across the Pacific -- offering the best viewing -- as well as the western half of North America, bottom of South America and eastern Asia. Credit: AP Photo/Alastair Grant, File在2019年1月21日星期一的文件照片中,地球的阴影落在英格兰东南部布莱顿上空看到的满月上。两年多以来的第一次全月食与本周的一次宇宙秀正好相吻合。将于2021年5月26日(星期三)在太平洋上看到这种超级“鲜血”月亮-提供最佳的观赏效果-以及北美的西半部,南美的底部和东亚。图片来源:AP Photo / Alastair Grant,文件The first total lunar eclipse in more than two years coincides with a supermoon this week for quite a cosmic show.两年多以来的第一次全月蚀恰逢本周的一次超级月亮,这是一场颇具宇宙性的表演。This super "blood" moon will be visible Wednesday across the Pacific—offering the best viewing—as well as the western half of North America, bottom of South America and eastern Asia. 超级“鲜血”月亮将于周三在太平洋上空出现-提供最佳的观看效果-以及北美的西半部,南美的底部和东亚。 Better look quick: The total eclipse will last about 15 minutes as Earth passes directly between the moon and the sun. But the entire show will last five hours, as Earth's shadow gradually covers the moon, then starts to ebb. The reddish-orange color is the result of all the sunrises and sunsets in Earth's atmosphere projected onto the surface of the eclipsed moon.快点好看:当地球直接经过月球与太阳之间时,日全食将持续约15分钟。但是整个节目将持续五个小时,因为地球的阴影逐渐覆盖了月球,然后开始退潮。橘红色是投影在月食表面上的地球大气中所有日出和日落的结果。"Hawaii has the best seat in the house and then short of that will be California and the Pacific Northwest," said NASA's Noah Petro, project scientist for the Lunar Reconnaissance Orbiter. New Zealand and Australia also will have prime viewing.美国宇航局登月侦察轨道飞行器项目科学家诺亚·佩特罗说:“夏威夷是房屋中最好的座位,然后将是加利福尼亚和西北太平洋地区的最佳座位。”新西兰和澳大利亚也将享有盛誉。Circling the moon for 12 years, the orbiter will measure temperatures changes on the lunar surface during the eclipse. Telescopes atop Hawaii's Mauna Kea also will monitor the moon, Petro said.绕月飞行12年后,轨道卫星将在月食期间测量月球表面的温度变化。佩特罗说,夏威夷的冒纳凯阿火山顶上的望远镜也将监视月球。The moon will be setting and the sun rising along the U.S. East Coast, leaving skygazers—Petro in Virginia included—pretty much out of luck. Europe, Africa and western Asia will miss everything. There will be livestreams available.月亮将落山,太阳将沿着美国东海岸升起,这使观景台(包括弗吉尼亚州的彼得罗)显得格外幸运。欧洲,非洲和西亚将错过一切。将会有直播。Everyone everywhere, though, can still soak in the brighter than usual moon, weather permitting.但是,在天气允许的情况下,每个地方的每个人仍然可以比平常的月亮更明亮。The moon will be more than 220,000 miles (357,460 kilometers) away at its fullest. It's this proximity, combined with a full moon, that qualifies it as a supermoon, making it appear slightly bigger and more brilliant in the sky.月球将在其最大距离处超过220,000英里(357,460公里)。正是这种距离,再加上满月,才使它有资格成为超级月亮,使其在天空中显得更大,更明亮。Last month's supermoon, by contrast, was 96 miles (155 kilometers) more distant.相比之下,上个月的超级月亮距离更远96英里(155公里)。Unlike a solar eclipse, there's no harm in looking at an eclipsed moon.与日食不同,看着月食没有害处。More lunar shows are on the horizon.更多的月球表演即将出现。"For people who might feel like we're missing out, set your calendars for Nov. 19 of this year," Petro said. This will be a nearly total eclipse where the moon dims but doesn't turn red.佩特罗说:“对于那些可能觉得我们不见了的人,请把您的日历定在今年11月19日。”这几乎是月食变暗但不会变成红色的全食。The next total lunar eclipse will be May 2022. The last one was January 2019.最后一次是在2019年1月见到。下一次全月食将在2022年5月。点击查看:更多有关太空探索文章更多其他分类文章免费试用文档翻译免费图片翻译免责声明:福昕翻译只充当翻译功能,此文内容及相关信息仅为传递更多信息之目的,仅代表作者个人观点,与本网站无关,版权归原始网站所有。仅供读者参考,并请自行核实相关内容。若需要浏览原文、下载参考文献等,请自行搜索文中提到的原文网站进行阅读。来源于:phys
2021-05-25 17:01:20
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微塑料无处不在—但是它们有害吗?
  科学家们急于研究海洋动物以及我们内部的微小塑料斑点。  林小志  从马里兰州的马洛西河收集的微塑料。信用:威尔·帕森/切萨皮克湾计划 李敦柱以前每天都在一个塑料容器里放微波午餐。但是,当环境工程师李和他的同事做出令人不安的发现时,他停了下来:塑料食品容器将大量的称为微塑料的细小斑点掉入了热水中。“我们感到震惊,”李说。李和其他研究人员在都柏林三一学院(Trinity College Dublin)去年10月1日报道,水壶和婴儿奶瓶也脱落了微塑料。研究小组计算得出,如果父母通过在塑料瓶内的热水中摇晃婴儿配方奶来制备婴儿配方奶,那么他们的婴儿每天可能会吞下超过一百万个微塑料颗粒。 李和其他研究人员还不知道这是否危险。每个人都吃和吸入沙子和灰尘,尚不清楚额外饮食的塑料斑点是否会危害我们。“英国的埃克塞特大学生态毒理学家塔玛拉·加洛韦(Tamara Galloway)说:“摄入的大部分食物都将直接穿过肠道,到达另一端。” “我认为可以说潜在的风险可能很高,”李先生谨慎地选择了自己的话。  近20年来,研究人员一直在担心微塑料的潜在危害,尽管大多数研究都集中在对海洋生物的危害上。英国普利茅斯大学的海洋生态学家理查德·汤普森(Richard Thompson)在他的团队在英国海滩上发现塑料微粒后,于2004年创造了这个名词,用以描述直径小于5毫米的塑料微粒。此后,科学家们在所见之处到处都看到了微塑料:深海中;在北极雪和南极冰中;在贝类,食盐,饮用水和啤酒中;飘到空中,或因雨水飘落在高山和城市上空。这些细小的碎片可能需要数十年甚至更长的时间才能完全降解。加洛韦说:“几乎可以肯定,几乎所有物种中都存在一定程度的接触。”  清洁工人从南非西开普省的阿尼斯顿海滩收集塑料颗粒。图片来源:汤姆·卡马乔(Tom Camacho)/科学图片库  对微塑料的最早研究集中在个人护理产品中发现的微珠,以及在被模制成物体之前可以逸出的原生塑料颗粒,以及从废弃的瓶子和其他大碎屑中慢慢侵蚀的碎片。所有这些都冲入河流和海洋:2015年,海洋学家估计全世界地表水中漂浮着15万亿至51万亿个微塑料颗粒。此后,人们已经发现了其他的微塑料来源:例如,道路上汽车轮胎上的塑料斑点会从衣服上脱落,合成微纤维会从衣服上脱落下来。这些颗粒在海陆之间吹来飞去,因此人们可能从任何来源吸入或吃掉塑料。  荷兰瓦赫宁根大学的环境科学家Albert Koelmans于3月2日报道说,从对空气,水,盐和海鲜中的微塑料的有限调查来看,儿童和成人每天可能摄入数十至十万种微塑料斑点。他和他的同事认为,在最坏的情况下,人们每年可能会吞噬掉一张信用卡的微塑料。 监管机构正在迈出第一步,以量化人们健康的风险-测量暴露程度。今年7月,加利福尼亚州环境保护局的一个分支机构加利福尼亚州水资源控制委员会将成为世界上第一个宣布量化饮用水中微量塑料浓度的标准方法的监管机构,其目的是在未来四年内对水进行监测并公开报告结果。  评估塑料小斑点对人或动物的影响是难题的另一半。说起来容易做起来难。超过100个实验室研究已经使动物(主要是水生生物)接触到了微塑料。但是他们的发现-暴露可能导致某些生物繁殖效率降低或遭受物理破坏-难以解释,因为微塑料具有多种形状,大小和化学成分,而且许多研究使用的材料与环境中发现的材料完全不同。  最小的斑点(称为纳米塑料)(小于1微米)使研究人员最为担忧(请参阅“按比例缩放的塑料”)。有些可能能够进入细胞,从而潜在地破坏细胞活性。但是这些粒子中的大多数对于科学家来说甚至都太小了。例如,这些食物并未计入Koelmans的饮食估算中,加利福尼亚州也不会尝试对其进行监控。  来源(工具和成本):S. Primpke等。应用 光谱。 74,1012至47年(2020年)。  一件事很清楚:问题只会加剧。每年生产近4亿吨塑料,预计到2050年,这种塑料的生产量将增加一倍以上。即使明天所有塑料生产都神奇地停止了,垃圾填埋场和环境中的现有塑料(估计约为50亿吨)仍将继续降解成无法收集或清理的微小碎片,不断提高微塑性水平。Koelmans将此称为“塑料定时炸弹”。  他说:“如果您问我有关风险的信息,今天我并不那么害怕。” “但是如果我们什么都不做,我会对未来感到担忧。”  伤害方式  研究人员有几种关于塑料斑点可能有害的理论。如果它们足够小,可以进入细胞或组织,那么它们可能只是被外来生物所刺激,就像长而细的石棉纤维一样,可能会刺激肺部组织并导致癌症。潜在的污染与空气污染平行:发电厂,汽车尾气和森林大火中产生的烟尘斑点称为PM 10和PM 2.5(粒径分别为10 µm和2.5 µm的颗粒物)会沉积在呼吸道和肺部,并且高浓度会损害呼吸系统。Koelmans指出,PM 10的含量仍然比空气中发现的微塑料的浓度高数千倍。  较大的微塑料更可能通过化学毒性产生负面影响(如果有)。制造商在塑料中添加了诸如增塑剂,稳定剂和颜料之类的化合物,其中许多物质都是有害的,例如,干扰内分泌(激素)系统。但是摄入微塑料是否会显着增加我们对这些化学物质的暴露,取决于它们从塑料斑点中移出的速度以及斑点在我们体内的传播速度—研究人员才刚刚开始研究这些因素。  在旧金山湾地区收集的用于研究的微塑料。信用:科尔·布鲁克森(Cole Brookson)  另一个想法是环境中的微塑料可能会吸引化学污染物,然后将它们输送到食用被污染斑点的动物中。但是动物无论如何都要从食物和水中摄取污染物,甚至吞咽时几乎没有被污染的塑料斑点也有可能帮助清除动物肠道中的污染物。马里兰州盖瑟斯堡市美国国家标准与技术研究院的海洋生物学家詹妮弗·林奇说,研究人员仍然无法就携带污染物的微塑料是否是一个重大问题达成共识。  也许最简单的危害模式-至少对于海洋生物而言-可能是生物吞噬了没有营养价值的塑料斑点,并且没有吃足够的食物来生存。Lynch也是檀香山夏威夷太平洋大学海洋废弃物研究中心的负责人,他对尸体进行了尸体解剖,这些尸体被发现死在海滩上,看着它们胆量中的塑料和组织中的化学物质。在2020年,她的团队完成了对3周龄以下的9头turtle孵化的分析。一只孵化器只有9厘米长,其胃肠道中有42块塑料。大多数是微塑料。  夏威夷海龟孵化后的照片显示在其微塑性胃内容物旁边。信用:珍妮弗·林奇  林奇说:“我们不相信他们当中有任何人是专门死于塑料的。” 但她想知道,孵化器是否可能难以按照所需的速度增长。“对于那些小家伙来说,这是一个非常艰难的人生阶段。”  海洋研究  研究人员在对海洋生物造成微生塑的风险方面做了最多的工作。英国普利茅斯海洋实验室的海洋生物学家佩内洛普·林德克(Penelope Lindeque)说,例如,在最小的海洋生物中,浮游动物在微塑料存在下生长速度较慢,繁殖较不成功:动物的卵较小,孵化的可能性较小。她的实验表明,繁殖问题源于浮游动物没有吃足够的食物3。  但是,由于生态毒理学家在知道水生环境中存在哪种微塑料之前就开始进行实验,因此他们严重依赖于人造材料,通常使用较小尺寸的聚苯乙烯球体,并且其浓度远高于所发现的调查结果(请参阅``对微塑料进行分类'')。    资料来源:自然分析  科学家已开始转向更符合环境的现实条件,并使用纤维或塑料碎片,而不是球形。一些人已经开始用模仿生物膜的化学物质涂覆测试材料,这似乎使动物更容易食用微塑料。  纤维似乎是一个特殊的问题。林德克说,与球形相比,纤维通过浮游动物所花费的时间更长。2017年,澳大利亚研究人员报告说,暴露于微塑料纤维的浮游动物产生的幼虫数量是通常数量的一半,而成年幼虫数量较小。纤维没有被摄入,但是研究人员发现它们干扰了游泳,并发现了生物体内的变形4。2019年的另一项研究5发现,暴露于纤维的成年太平洋mole鼠(Emerita Analoga)的寿命较短。     大多数实验室研究将生物暴露于一种特定大小,聚合物和形状的微塑料中。Koelmans说,在自然环境中,有机体会暴露于混合物中。在2019年,他和他的博士生Merel Kooi绘制了11种海洋,河流和沉积物调查中报告的大量微塑料,以建立水生环境中混合物的模型。  去年,两人与同事合作,在计算机模拟中使用此模型,预测鱼多久会遇到足够小的食用微量塑料,以及食用过多斑点影响生长的可能性。研究人员发现,在目前的微塑性污染水平下,鱼类在有微塑性检查位置的1.5%处存在这种风险6。Koelmans说,但是风险可能会更高。一种可能是深海:一旦到达那里并经常被埋在沉积物中,微塑料就不可能运到其他地方,也没有办法清理它们。  海洋已经面临许多压力,这使林德克更担心微塑料会进一步耗尽浮游动物种群,而不是它们会向上转移到食物链中以到达人类。“如果我们淘汰象浮游生物这样的东西,这是我们海洋食物网的基础,我们将更加担心对鱼类种群的影响以及养活世界人口的能力。” 人体研究  领先的研究人员说,尚无公开研究直接检查塑料斑点对人的影响。唯一可用的研究依赖于使细胞或人体组织暴露于微塑料中或使用动物(例如小鼠或大鼠)的实验室实验。例如,在一项研究7中,喂食大量微塑料的小鼠的小肠发炎。与对照组相比,两项研究中暴露于微塑料的小鼠的精子数量降低了8,幼崽的数量也更少,更小9。一些体外对人体细胞或组织的研究也表明有毒性。但是,就像海洋研究一样,尚不清楚所使用的浓度与老鼠或人类所接触的物质是否有关。大多数研究还使用了聚苯乙烯球,这并不代表人们摄入的微塑料的多样性。Koelmans还指出,这些研究是同类研究中的第一批,一旦有了确凿的证据,最终可能会成为异常值。还有更多的在体外比动物实验研究,但研究人员说,他们仍然不知道如何来推断的组织在整体动物可能的健康问题的固体胶斑点的效果。  发现塑料了吗?从美国西部的国家公园和荒野地区取样的这种毫米级放大图像中,灰尘,沉积物,微塑性纤维和微珠混杂在一起。图片来源:犹他州立大学Janice Brahney  围绕风险的一个问题是,微塑料是否可能残留在人体中,并可能在某些组织中积累。小鼠研究发现,直径约5 µm的微塑料可以留在肠中或到达肝脏。Koelmans和同事使用非常有限的数据说明小鼠排泄微塑料的速度,并假设只有一小部分1-10 µm的颗粒会通过肠道吸收到体内,Koelmans及其同事估计,一个人可能会在其体内积聚数千种微塑料颗粒。一生中的身体2。  一些研究人员已经开始探索在人体组织中是否可以找到微塑料。十二月,一个小组在一项研究中首次记录了这六个胎盘10,对此进行了记录。。研究人员用一种化学物质分解了组织,然后检查了剩下的东西,最后在其中4个胎盘中得到了12个微塑性颗粒。坦佩亚利桑那州立大学环境健康工程师罗尔夫·哈尔登说:“然而,收集和分析胎盘时,这些斑点并不是污染的结果,尽管他赞扬研究人员为避免污染所做的努力,其中包括保持运送病房内没有塑料物品,并表明通过相同样品分析获得的空白对照材料集未受到污染。他说:“结论性地证明给定的颗粒实际上起源于组织方面一直存在挑战。”  李说,那些担心自己暴露在微塑料中的人可以减少这种情况。他在厨具方面的工作发现,散落的塑料量很大程度上取决于温度-这就是为什么他停止在塑料容器中微波烹饪食物的原因。为了减少婴儿奶瓶的问题,他的团队建议父母可以用在非塑料水壶中煮沸的凉水冲洗消毒过的奶瓶,以洗去消毒过程中释放的任何微量塑料。他们可以在玻璃容器中制备婴儿配方奶粉,在牛奶冷却后填充奶瓶。该小组现在正在招募父母,为他们的婴儿尿液和粪便提供志愿者样品以进行微塑性分析。  纳米级  Halden说,最细小的颗粒能够穿透并在组织甚至细胞内徘徊,是最令人担忧的一种,需要在环境采样中给予更多关注。例如,一项研究11故意让怀孕的小鼠吸入极微小的颗粒,后来在胎儿的几乎每个器官中都发现了这些颗粒。“从风险的角度来看,这才是真正的关注点,也是我们需要更多数据的地方。”  要进入细胞,颗粒通常需要小于几百纳米。直到2018年,法国研究人员提出了1 µm的尺寸上限,才对纳米塑料做出正式定义。这种微小的尺寸足以保持分散在水柱中,在这里生物体可以更容易地吸收它们,而不是像大型的微塑料那样沉没或漂浮,法国图卢兹的保罗·萨巴蒂埃大学的分析化学家亚历山德拉·特·哈雷说。  但是研究人员对纳米塑料几乎一无所知。它们是看不见的,不能简单地sc起。仅仅对它们进行测量已经困扰了科学家。  研究人员可以使用光学显微镜和光谱仪(通过与光的不同相互作用来区分颗粒)来测量塑料颗粒的长度,宽度和化学组成,直至几微米。低于该规模,塑料颗粒变得难以与非塑料颗粒(例如海洋沉积物或生物细胞)区分开。瑞士非营利研究组织Sail and Explore Association的纳米材料科学家Roman Lehner说:“您正在大海捞针,但看起来像干草。”  使用红外光谱分析从德国奥尔登堡的一家废水处理厂提取的样品的伪彩色图像。从颜色中挑出的碎片是塑料聚合物。其他碎片包括橡胶,烟灰,沙子和植物纤维。资料来源:S。Primpke等。肛门 生物肛门。化学。410,5131-5141(2018)。     2017年,ter Halle及其同事首次证明了环境样品中存在纳米塑料:从大西洋12收集的海水。她从水中提取胶体固体,过滤掉任何大于1 µm的颗粒,燃烧掉残留的颗粒,然后使用质谱仪(将分子破碎并按分子量对碎片进行分类)来确认残余物中存在塑料聚合物。  但是,这没有提供有关纳米塑料确切尺寸或形状的信息。Ter Halle通过研究她在探险期间收集的两个退化的塑料容器的表面,获得了一些想法。她发现,前几百微米已经变成晶体和脆性。她认为,可能从这些表面脱落的纳米塑料也可能如此13。目前,由于研究人员无法从环境中收集纳米塑料,因此进行实验室研究的人员会磨碎自己的塑料,并希望得到类似的颗粒。    使用自制的纳米塑料有一个优势:研究人员可以引入标签来帮助跟踪测试生物体内的颗粒。莱纳及其同事准备了荧光纳米尺寸的塑料颗粒,并将其置于由人体肠壁细胞构建的组织下14。细胞确实吸收了颗粒,但是没有显示出细胞毒性的迹象。  莱纳说,发现存在完整组织切片中的塑料斑点(例如,通过活检)并观察任何病理影响,将是解决微塑性风险的最后一个难题。霍尔登说,这将是“非常理想的”。但是要到达组织,颗粒必须非常小,因此两位研究人员都认为,很难最终检测到它们。  收集所有这些数据将花费很多时间。Ter Halle与生态学家合作,量化了野外微量塑料的摄入量。她说,仅分析大约800个昆虫和鱼类样本中的大于700 µm的颗粒,就花费了数千小时。研究人员现在正在检查25-700 µm范围内的颗粒。她说:“这是困难而又乏味的,要获得结果将花费很长时间。” 她补充说,要查看较小的尺寸范围,“工作量是成倍增加的。”     在亚历山德拉·特·哈雷(Alexandra ter Halle)的一次海洋探险中收集的塑料样品。图片提供:Vinci Sato @ Expedition 7 Continent  没有时间可以浪费  研究人员认为,目前,环境中的微塑料和纳米塑料含量太低,无法影响人体健康。但是他们的人数会增加。去年9月,研究人员预测15,每年添加到现有废物中的塑料量(无论是仔细地在密封的垃圾填埋场中还是散落在陆地和海洋中)都可能从2016年的1.88亿吨增加一倍以上,到2040年达到3.8亿吨。然后,科学家们估计,其中约有1000万吨可能是以微塑料的形式存在的-这种计算不包括不断从现有废物中侵蚀掉的颗粒。  该研究的第一作者,华盛顿特区皮尤慈善信托基金会的Winnie Lau说,可以控制我们的一些塑料废物。研究人员发现,如果在2020年采用所有行之有效的遏制塑料污染的解决方案,并尽快扩大规模(包括转换为再利用系统,采用替代材料并回收塑料),则塑料废物的添加量可能会减少到1.4亿到2040年每年。  到目前为止,最大的收益将来自减少仅使用一次并丢弃的塑料。加洛韦说:“生产持续500年然后再使用20分钟的东西是没有意义的。” “这是一种完全不可持续的生活方式。”点击查看:更多分类文章更多医学分类文章使用文档翻译功能使用图片文字识别功能 免责声明:福昕翻译只充当翻译功能,此文内容及相关信息仅为传递更多信息之目的,仅代表作者个人观点,与本网站无关,版权归原始网站所有。仅供读者参考,并请自行核实相关内容。若需要浏览原文、下载参考文献等,请自行搜索文中提到的原文网站进行阅读。来源于:nature
2021-05-10 19:31:53
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闪电和微弱的放电产生可净化大气的分子
Lightning and subvisible discharges produce molecules that clean the atmosphere by Pennsylvania State University闪电和微弱的放电产生可净化大气的分子由 美国宾夕法尼亚州立大学 Nitrogen, oxygen and water vapor molecules are broken apart by lightning and associated weaker electrical discharges, generating the reactive gases NO, O3, HO2, and the atmosphere's cleanser, OH. Credit: Jena Jenkins, Penn State氮,氧和水蒸气分子被雷击和相关的较弱的放电破坏,产生反应性气体NO,O3,HO2和大气清洁剂OH。图片提供:宾州州立大学Jena JenkinsLightning bolts break apart nitrogen and oxyg
2021-04-30 16:08:45
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雷击在地球生命起源中起着至关重要的作用:研究
由 英国利兹大学大约40亿年前的地球早期插图。信用:露西·恩特威斯(Lucy Entwisle)地质学家说,雷击与陨石一样重要,它们为创造生命出现在地球上的理想条件提供了条件。超过40亿年前,以陨石运送到地球的矿物一直被提倡为地球生命发展的关键成分。科学家认为,通过数十亿雷击,极少量的这些矿物也被带到了地球早期。但是现在,来自利兹大学的研究人员已经确定,雷击与陨石一样重要,可以执行这一基本功能并使生命得以彰显。他们说,这表明如果大气条件合适,生命可以在任何时间通过相同的机制在类似地球的行星上生长。这项研究是由本杰明·赫斯(Benjamin Hess)在利兹大学地球与环境学院的本科学习期间领导的。赫斯先生和他的导师正在研究一个巨大而原始的辉石样品,该辉石是闪电击中地面时产生的一块岩石。该样品是在2016年闪电袭击美国伊利诺伊州格伦艾林的一处房产时形成的,并捐赠给附近的惠顿学院的地质部门。利兹的研究人员最初对辉石的形成方式很感兴趣,但着迷于在Glen Ellyn样品中发现大量高度稀有的磷矿物质schreibersite。在伊利诺伊州格伦·艾林(Glen E
2021-03-17 18:48:23
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科学家开始建立我们星球的高精度数字孪生
苏黎世联邦理工学院 Simone Ulmer地球的数字孪生系统将以高分辨率对地球系统进行全面模拟,并作为例如指导适应气候变化措施的基础。信用:ESA我们星球的数字孪生子将在未来模拟地球系统。它旨在支持决策者采取适当措施,为极端事件做更好的准备。欧洲科学家和苏黎世联邦理工学院计算机科学家撰写的新战略文件显示了如何实现这一目标。为了在2050年之前实现气候中和,欧盟启动了两个雄心勃勃的计划:绿色交易和DigitalStrategy。作为其成功实施的关键组成部分,气候科学家和计算机科学家发起了“目的地地球”倡议,该倡议将于2021年中期开始,预计持续长达十年。在此期间,将创建一个高度精确的地球数字模型,即地球的数字孪生模型,以尽可能准确地绘制气候发展和极端事件的时空图。观测数据将被不断地整合到数字孪生中,以使数字地球模型更准确地用于监视演化并预测可能的未来轨迹。但是除了常规用于天气和气候模拟的观测数据外,研究人员还希望将有关人类活动的新数据整合到模型中。新的地球系统模型实际上将尽可能真实地表示地球表面上的所有过程,包括人类对水,食物和能源管理的影响以及物理地球系统中的过程。决策信息系统地球的数字孪生系统旨在成为一个信息系统,该系统可以开发和测试场景,这些场景可以显示出更多的可持续发展,从而更好地为政策提供信息。彼得·鲍尔(Peter Bauer)说:“例如,如果您打算在荷兰规划一个两米高的堤防,我可以浏览我的数字双胞胎中的数据,并检查堤防是否有可能仍能抵御2050年的预期极端事件。”是欧洲中距离天气预报中心(ECMWF)的研究副主任,也是目的地地球的共同发起人。数字孪生还将用于淡水和粮食供应或风电场和太阳能发电厂的战略规划。目的地地球背后的驱动力是ECMWF,欧洲航天局(ESA)和欧洲气象卫星开发组织(EUMETSAT)。鲍尔与其他科学家一起推动着地球数字孪生的气候科学和气象方面的发展,但他们也依靠苏黎世联邦理工学院和瑞士国家超级计算中心(CSCS)的计算机科学家的专业知识,即ETH教授Torsten Hoefler ,来自高性能计算系统研究所,以及CSCS主任Thomas Schulthess。为了在数字革命中迈出重要一步,鲍尔强调了将地球科学与计算机科学相结合的必要性。在最近的《自然计算科学》杂志上,来自地球和计算机科学领域的研究人员团队讨论了他们希望采用哪些具体措施来推进“地球系统科学的数字革命”,他们在其中看到了挑战以及可能的解决方案能够被找到的。天气和气候模型为基础在他们的论文中,研究人员回顾了自1940年代以来天气模型的稳定发展,这是一个悄悄发生的成功故事。可以说,气象学家开创了在世界上最大的计算机上对物理过程进行模拟的过程。作为物理学家和计算机科学家,CSCS的Schulthess坚信,当今的天气和气候模型非常适合为更多的科学学科确定如何有效使用超级计算机的全新方式。过去,天气和气候建模使用不同的方法来模拟地球系统。尽管气候模型代表了非常广泛的物理过程集,但它们通常会忽略小规模的过程,但是,这对于更精确的天气预报至关重要,而天气预报又将重点放在更少的过程上。数字孪生将把这两个领域融合在一起,并能够进行高分辨率模拟,描绘整个地球系统的复杂过程。但是,为了实现这一点,必须将仿真程序的代码适配于有望大大提高计算能力的新技术。利用当今可用的计算机和算法,很难以计划的一公里的极高分辨率执行高度复杂的仿真,因为数十年来,从计算机科学的角度来看,代码开发一直处于停滞状态。气候研究得益于能够通过新一代处理器获得更高性能而不必从根本上改变其程序的方法。每一代新处理器的这种免费性能提升大约在10年前就已停止。结果,当今的程序通常只能利用常规处理器(CPU)峰值性能的5%。为了实现必要的改进,作者强调了协同设计的需要,即同时进行并同时开发硬件和算法,正如CSCS在过去十年中成功展示的那样。他们建议特别注意通用数据结构,要计算的网格的优化空间离散化和时间步长的优化。科学家们还建议将用于解决科学问题的代码与在相应系统体系结构上最佳执行计算的代码分开。这种更灵活的程序结构将允许更快,更有效地切换到未来的体系结构。从人工智能中获利作者还看到了人工智能(AI)的巨大潜力。例如,它可用于数据同化或观察数据处理,模型中不确定物理过程的表示以及数据压缩。因此,AI可以加快仿真速度并从大量数据中筛选出最重要的信息。此外,研究人员认为,使用机器学习不仅可以使计算效率更高,而且可以帮助更准确地描述物理过程。科学家将他们的策略文件视为通往地球数字双胞胎的起点。在当今可用的计算机体系结构以及不久的将来预期的计算机体系结构中,基于图形处理单元(GPU)的超级计算机似乎是最有前途的选择。研究人员估计,要全面运行数字孪生系统,将需要一个带有约20,000个GPU的系统,消耗的功率估计为20MW。出于经济和生态方面的原因,这种计算机应在有足够CO 2中性发电量的位置操作。点击:查看更多其他分类文章查看更多生物学文章使用文章翻译功能 免责声明:福昕翻译只充当翻译功能,此文内容及相关信息仅为传递更多信息之目的,仅代表作者个人观点,与本网站无关,版权归原始网站所有。仅供读者参考,并请自行核实相关内容。若需要浏览原文、下载参考文献等,请自行搜索文中提到的原文网站进行阅读。来源于:phys
2021-02-25 16:25:56
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北冰洋被冰层覆盖,并充满淡水
由 阿尔弗雷德·韦格纳研究所在海平面低的冰川时期,与太平洋的交换被停止了,与北大西洋的交换被大大减少了,而北极盆地仍在接受淡水输入。交换只能通过格陵兰-苏格兰-里奇的狭窄网关进行。三个草图的顺序显示:(1)北冰洋的一段新鲜期,然后(2)当盐水进入北冰洋时,淡水释放到北大西洋,以及(3)北极冰盖突然融化。与相对温暖和咸的大西洋水接触。图片来源:阿尔弗雷德·韦格纳研究所/马丁·昆斯汀在过去的15万年中,北冰洋被厚达900米的架子冰覆盖着,并且至少两次充满了淡水。最新一期《自然》杂志报道了这一令人惊讶的发现是Alfred Wegener研究所和MARUM的科学家进行长期研究的结果。通过对海洋沉积物的成分进行详细分析,科学家可以证明北冰洋以及北欧海至少在两个冰期没有海盐。取而代之的是,在厚厚的冰盾下,这些海洋充满了大量的淡水。然后,这些水可以在很短的时间内释放到北大西洋。如此突然的淡水输入可以解释气候的快速波动,而此前却没有找到令人满意的解释。大约在60,000到70,000年前,在上一个冰川期的一个特别寒冷的时期,北欧和北美的大部分地区都被冰盖覆盖。从爱尔兰和苏格兰经过斯堪的纳维亚半岛到卡拉海(北冰洋)的东缘,欧洲的冰盖跨越了5000多公里。在北美,现在被称为加拿大的大部分地区被埋在两个大冰盖下。格陵兰岛和白令海海岸线的部分地区也被冰川化。北冰洋北面的冰情如何?它被厚厚的海冰覆盖了,还是漂浮在这些巨大冰原的舌头上,远远超出了北极?到目前为止,对这些问题的科学答案或多或少都是假设的。与陆地上的沉积物相反,不稳定的巨石,葡萄树和冰川谷是冰川的明显地标,迄今为止,在北冰洋只有很少的巨大冰架痕迹。不来梅大学阿尔弗雷德·韦格纳研究所亥姆霍兹极地和海洋研究中心(AWI)和MARUM海洋环境科学中心的地球科学家现在已经收集了北冰洋和北欧海洋的现有证据,并将其与新数据结合起来一个令人惊讶的结论。根据他们的研究,过去15万年来,北冰盖的漂浮部分覆盖了北冰洋的大部分地区。大约在70,000-60,000年前以及大约150,000-130,000年前。在这两个时期中,淡水在冰下蓄积,形成了数千年的完全新鲜的北冰洋。“这些结果意味着我们对冰川气候对北冰洋的了解发生了真正的变化。据我们所知,这是第一次考虑对北冰洋和北欧海进行全面更新,不仅一次,而且两次”的第一作者,阿尔弗雷德·韦格纳研究所(Alfred Wegener Institute)的地球化学家Walter Geibert博士说。沉积物中没有,因此一定没有盐水他们的发现基于对北冰洋,弗拉姆海峡和北欧海不同地区的十个沉积物岩心的地质分析。堆积的沉积物反映了过去冰川的气候历史。在调查和比较沉积物记录时,地球科学家发现,始终以相同的两个时间间隔缺少重要的指标。“在盐水中,天然铀的腐烂总是导致同位素the230的产生。该物质积聚在海底,由于其75,000年的半衰期,很长一段时间仍可被检测到”,Walter Geibert解释道。因此,地质学家经常使用这种or同位素作为天然时钟。“在这里,反复而广泛的缺席是向我们揭示发生了什么的赠品。根据我们的知识,对这种模式的唯一合理解释是,北冰洋在其较年轻的历史中两次被淡水充满-在冰冻和冰冻的环境中。液体形式”,也是来自AWI的合著者和微古生物学家Jutta Wollenburg博士解释说。北冰洋的新图景一个由多个海峡与北大西洋和太平洋相连的大海洋盆地怎么会变得完全新鲜?共同作者,地质学家Ruediger Stein教授说:“如果我们意识到在冰川期,全球海平面比今天低了130 m,并且北极的冰团可能进一步限制了海洋环流,那么这种情况是可以想象的。”在AWI和MARUM。诸如白令海峡或加拿大群岛的声音之类的浅层连接当时处于海平面之上,从而完全切断了与太平洋的连接。在北欧海域,延伸到海底的大型冰山或冰原限制了水团的交换。夏季的冰川,冰融化以及流入北冰洋的河流不断向该系统输送大量淡水,每年至少1200立方公里。这笔款项的一部分将被迫通过北欧海域,穿过格陵兰岛-苏格兰山脊中稀疏且较深的较深连接处进入北大西洋,从而阻碍了盐水向北渗透。这导致了北冰洋的新鲜化。沃尔特·吉伯特说:“一旦冰障机制失效,大量的盐水就会再次充满北冰洋。” “我们认为,这样一来,它便可以迅速取代较淡的淡水,从而导致将累积的淡水突然排放到北欧海的浅南边界格陵兰-苏格兰-里奇地区,进入北大西洋。”假设大量的淡水存储在北冰洋中并且可以快速释放,这将有助于理解过去一系列气候波动之间的联系。它还将为不同的过去海平面重建方法之间的明显差异提供解释。沃尔特·吉伯特解释说:“建议说,在某些寒冷时期,珊瑚礁的残骸表明其海平面要比南极冰芯的重建或小型海洋生物的钙质壳的重建高。” “如果我们现在接受,淡水不仅可能以固体形式储存在陆地上,而且其中一些还以液体形式储存在海洋中,从北冰洋释放的淡水也可能解释了上一个冰河时期某些突然的气候变化事件。在这样的事件中,格陵兰岛的温度在几年之内可能会上升8-10摄氏度,只是在几百年或数千年的过程中才恢复到原始的寒冷冰川温度。“我们在这里看到了地球系统过去的北极气候临界点的一个例子。现在我们需要更详细地研究这些过程是如何相互联系的,并评估北冰洋这一新概念如何帮助缩小我们的知识差距。 ,特别是考虑到人为气候变化的风险,” Walter Geibert说。 点击:查看更多其他分类文章 查看更多生物学文章 查看更多医学文章免责声明:福昕翻译只充当翻译功能,此文内容及相关信息仅为传递更多信息之目的,仅代表作者个人观点,与本网站无关,版权归原始网站所有。仅供读者参考,并请自行核实相关内容。若需要浏览原文、下载参考文献等,请自行搜索文中提到的原文网站进行阅读。来源于:phys
2021-02-06 16:50:00
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新型生物传感器可快速检测冠状病毒蛋白和抗体
由 华盛顿大学新的生物传感器与目标分子结合并发光的插图。生物传感器的创建是由UW蛋白质设计医学研究所领导的。图片来源:Ian Haydon /西澳大学医学院的蛋白质设计科学家创造了一种新的方法来检测构成大流行冠状病毒的蛋白质以及针对大流行冠状病毒的抗体。他们设计了基于蛋白质的生物传感器,当与病毒成分或特定的COVID-19抗体混合时会发光。这一突破可以在不久的将来实现更快,更广泛的测试。该研究发表在《自然》上。今天,要诊断冠状病毒感染,大多数医学实验室都依赖一种称为RT-PCR的技术,该技术可放大病毒的遗传物质,以便可以看到它。此技术需要专门的人员和设备。它还消耗了全球范围内需求旺盛的实验室用品。供应链短缺使美国及其他地区的COVID-19测试结果放慢了速度。为了直接检测患者样本中的冠状病毒而不需要进行基因扩增,由生物化学教授,西澳大学医学院蛋白质设计研究所所长戴维·贝克(David Baker)带领的一组研究人员使用计算机来设计新的生物传感器。这些基于蛋白质的设备识别病毒表面上的特定分子,与它们结合,然后通过生化反应发光。抗体测试可以揭示一个人过去是否患有过COVID-19。它被用来追踪大流行的蔓延,但是它也需要复杂的实验室用品和设备。Alfredo Quijano-Rubio在西雅图的UW医学蛋白质设计研究所进行研究。他领导了设计和测试新型发光生物传感器以检测冠状病毒蛋白和抗体的工作。对该模型生物传感器的未来修改也可能对检测癌症和传染病中其他临床上重要的分子有用。图片来源:Ian Haydon / UW蛋白设计研究所威斯康星大学同一研究小组还创造了与COVID-19抗体混合后会发光的生物传感器。他们表明,这些传感器对可能也存在于血液中的其他抗体(包括针对其他病毒的抗体)不产生反应。这种敏感性对于避免假阳性测试结果很重要。贝克说:“我们已经在实验室中证明了这些新型传感器可以很容易地检测到模拟鼻液或捐赠的血清中的病毒蛋白或抗体。这项工作说明了从头进行蛋白质设计的能力,可以从头开始创建具有新的有用功能的分子装置。”除COVID-19以外,研究小组还表明,可以设计类似的生物传感器来检测医学上相关的人类蛋白质,例如Her2(某些形式的乳腺癌的生物标志物和治疗靶标)和Bcl-2(对淋巴瘤和某些癌症具有临床意义)。其他癌症),以及针对乙肝病毒的细菌毒素和抗体。 点击:查看更多化学文章 查看更多生物学文章 查看更多冠状病毒类文章 使用双语译文文档翻译功能 免责声明:福昕翻译只充当翻译功能,此文内容及相关信息仅为传递更多信息之目的,仅代表作者个人观点,与本网站无关,版权归原始网站所有。仅供读者参考,并请自行核实相关内容。若需要浏览原文、下载参考文献等,请自行搜索文中提到的原文网站进行阅读。来源于:phys
2021-01-31 17:15:05
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新技术从纳米颗粒构建超硬金属
布朗大学的 Kevin Stacey 得益于布朗大学研究人员开发的一项新技术,这种金制“硬币”是由纳米粒子构成的。用这种方法制造大块金属可以精确地确定金属的微观结构,从而增强其机械性能。学分:陈实验室/布朗大学冶金学家有各种方法可以使一大块金属变硬。他们可以弯曲,扭曲,在两个滚轴之间运行或用锤子敲打。这些方法通过破坏金属的晶粒结构(形成大量金属的微观晶域)而起作用。较小的晶粒可制成较硬的金属。现在,布朗大学的一组研究人员找到了一种从下至上自定义金属晶粒结构的方法。在《化学》杂志上发表的一篇论文中,研究人员展示了一种将单个金属纳米团簇粉碎在一起以形成固态宏观固态块的方法。对使用该技术制造的金属进行的机械测试表明,它们比天然金属结构坚硬多达四倍。布朗化学副教授,这项新研究的作者欧Chen说:“锤击和其他淬火方法都是改变晶粒结构的自上而下的方法,很难控制最终的晶粒尺寸” 。“我们要做的是创建纳米颗粒构造块,当您挤压它们时,它们会融合在一起。这样,我们就可以具有均匀的晶粒大小,可以精确地调整它们以增强性能。”对于这项研究,研究人员使用金,银,钯和其他金属的纳米粒子制成了
2021-01-26 19:54:51
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切口深度比对钢纤维混凝土开裂后行为的影响(上)
切口深度比对钢纤维混凝土开裂后行为的影响 通过:何塞·瓦尔迪兹·阿吉拉尔,塞萨尔·华雷斯·阿尔瓦拉多 ,何塞·M·门多萨·朗格尔和贝尔纳多·T·泰兰·托雷斯收到:2020年12月13日/修订:2021年1月5日/接受:2021年1月8日/发布:2021年1月18日 摘要:混凝土几乎没有抗拉强度,易开裂,导致使用寿命降低。因此,重要的是找到有助于减轻这些缺点的互补材料。这项研究的目的是通过研究四种缺口深度比0、0.08、0.16,通过分析和实验方法确定添加钢纤维对开裂后阶段纤维增强混凝土性能的影响。和0.33。使用普通混凝土(对照)和体积纤维分别为0.25%和0.50%的纤维增强混凝土,通过72次弯曲测试进行了评估。结果表明,缺口与深度之比最高为0.33的样品能够实现硬化行为。研究结果表明,即使还增加了切口深度比,剂量的增加也会导致残余性能的提高。关键词: 钢纤维增强的混凝土; 钩端钢纤维; 后开裂行为; 切口深度比;延性; 韧性; 断裂能1. 介绍由于其多功能性,可成型性以及其成分的广泛可用性,混凝土是世界上使用最广泛的建筑材料[1-3]。但是,混凝土几乎没有抗拉强度,容易开裂,导致使用寿命降低,因为一旦开裂开始,混凝土就缺乏机械强度,突然失效[4-8]。因此,材料科学和混凝土技术一直在努力寻找一种可以减轻这些缺点的补充材料,一旦达到初次裂纹负荷,就可以提供防止完全断裂的能力。换句话说,他们正在努力寻找一种有助于改善应变容量和能量吸收的材料。这些材料之一是钢纤维。几项有关钢纤维的研究证明,混凝土的抗压强度仅有最小的提高[9-13]。但是,在抗拉强度测试[14-16]上已对性能产生了很大的影响,而在冲击载荷和残余强度测试上则更显着[17-20]。钢纤维适合于增强混凝土,因为它们提供了能量消散机制,并且比普通混凝土更有效地控制了残余阶段的裂纹扩展。后者是使用这种增强材料的主要优点之一。但是,由于有效的混凝土面积,其他特性也会受到影响,例如,纤维的残余性能,这是应力通过纤维与水泥基体之间形成的键传递的主要因素之一[21]。 残余性能的研究可以通过带有受控裂纹的缺口试样来进行,从中获得代表性数据,并且其分散系数小于未缺口试样的分散系数[22,23]。据报道,使用钢纤维增强混凝土(SFRC)有几个优势,例如,降低成本和改善结构质量,主要是在裂缝控制和循环荷载下[24]。一些作者集中研究了埋入普通混凝土和钢纤维增强混凝土纽带中的钢筋的拉伸刚度效应,改变了主要参数,例如纤维体积,最大骨料尺寸和钢筋直径,观察钢纤维混凝土在控制钢筋混凝土结构裂缝模式中的有效性[25]。另一方面,据报道,随着钢纤维的加入,弯曲裂纹的宽度明显减小,而随着钢纤维的加入,第一裂纹载荷和最大载荷也增加了[26]。其他对其他类型纤维的研究,即聚丙烯纤维(PFRC),发现断裂能较高,这是因为PFRC裂解后性能与纤维分布和取向之间有很强的依赖性[27]。关于表征纤维增强混凝土的弯曲试验,发现试样的破坏模式受其跨深比的影响。这意味着它的失效模式是由剪切或弯曲控制的[28]。对于残余强度评估,国际规范和标准已建议对中跨槽口的梁试样进行三点弯曲试验,以通过将槽口深度比(即a /d)确定为0.16 [20]来控制裂纹的发展。 ]。在这项研究中,通过添加两种剂量的钢纤维,一种20 kg / m3(0.25%)(系列1),另一种40倍的钢纤维,研究了缺口深度比对纤维增强混凝土的影响。 kg / m3(0.50%)(系列2),在150毫米×150毫米×600毫米的棱柱形试样上经受弯曲张力(即三点弯曲试验)的试样中。通过在试样的[15,17,18,29]中形成13、25和50 mm的缺口,可以控制裂纹的产生,从而使缺口与深度的比率(a /d)为0.08、0.16,和0.33。本文研究的目的是通过计算特征残余应力来研究对钢纤维残余性能的影响,混凝土面积的减少以及对残余强度的分类,从而确定钢纤维的强度。裂纹的扩大和向缩小的混凝土区域的传播。本研究的新颖之处在于确定缺口深度比(a / d)小于0.16的纤维增强混凝土的残余性能。这与文献中的其他研究不同,后者考虑了更大的陷波深度比。考虑较低的比率可以研究断裂后的行为以及在断裂过程区域中比标准更大的断裂能量。2.理论方面为了理解(a / d)比的影响,有必要提及混凝土中非线性断裂力学的一些概念。一般而言,断裂力学被定义为具有很大实用性的失效理论,因为它利用了高能准则,该准则与强度准则一起考虑了裂纹在结构中的传播[30]。但是,尽管有其实用性,但已发现,混凝土的性能并不能通过线性弹性断裂力学(LEFM)来定义,因为混凝土会形成较大的断裂加工区(FPZ),可承受由于软化而引起的渐进破坏由微裂纹引起的。这导致裂纹尖端释放的能量流减少;同时,裂纹的组合表面积增加,从而提高了断裂过程区(FPZ)的能量吸收能力,因此,要了解混凝土的性能,必须详细阐述非线性断裂力学[ 30]。非线性断裂力学是更好地描述混凝土行为的理论之一。非线性断裂力学是对固体裂纹的研究,该裂纹在自然界中表现出非线性的本构响应,这与考虑了几何和材料线性的LEFM相反[31]。根据所施加的载荷,建筑材料可以表现出几种行为。一些材料几乎没有表现出变形能力或没有变形能力,因此被认为是易碎材料。相反,存在被认为是延性的材料。混凝土是一种特殊情况,因为其行为不能完全表征为易碎品,因为它更可能被描述为准易碎材料。在出现第一个裂纹(应变硬化)后,混凝土显示出拉伸应力的逐渐衰减(应变软化),无论拉伸强度有无改善。因此,总的来说,失败可以不屈服[32,33]出现。要考虑的另一个重要方面是能量吸收的能力,它是通过载荷位移或载荷裂纹打开曲线下的面积获得的。考虑能量吸收是必要的,尤其是在动态载荷下,因为它决定了结构的延展性。在易碎材料中,没有FPZ时,弹性能作为表观能量消散。同时,在易延展材料中,FPZ是可耗散大量能量的塑料区,其能量大于表层能量。对于准易碎材料(例如混凝土),FPZ通常大于易碎材料或易碎材料的区域[34,35],并在破坏前耗散大量能量,从而提供了开裂后的非线性响应(软化) [32]。在确定的体积分数下向混凝土中添加钢纤维可改善延展性并增加FPZ的初始宽度,结果是由于纤维的提取而扩大了区域[36] ]。随机分布的钢纤维在基体开裂后,通过延迟裂纹的形成,限制其生长并减小裂纹尖端的开度位移,显示出最重要的作用,因为纤维通过一种方法抑制了裂纹。提取过程中的桥联机制[37,38]。以同样的方式,钢纤维的使用大大提高了能量吸收和延展性[39]。值得一提的是,混凝土的脆性行为与其抗压强度的增加成正比,而添加钢纤维有助于消除这种脆性,从而导致生产出具有改善的拉伸强度,延展性和抗拉强度的材料。韧性[40,41]。与普通混凝土相比,这种材料显示出延伸的软化分支,其特征在于显着的拉伸残余强度和更高的断裂能[9],后者是衡量准易碎材料断裂过程的主要成分。3.材料和方法为了进行这项研究,共生产了4种普通混凝土混合物,每种所使用的缺口与深度之比为一种。此外,还生产了8种纤维增强混凝土的混合物(每种纤维百分比为4)。使用水泥OPC 40满足NMX-C-414-ONNCCE-2014 [42]的要求生产混合物;标准粉碎的石灰石骨料,最大尺寸为19 mm(3 / 4jj),细度模量为2.42;水;以及聚羧酸类减水剂作为添加剂。使用的钢纤维是“钩端”纤维,长度(lf)为50毫米,直径(df)为1毫米,长径比(lf / df)为50,拉伸强度为1130 MPa;纤维体积分别为0.25%和0.50%,这是根据标准EN 14845-1,2007 [43]推荐的获得残余强度的体积。该标准还规定最大水泥含量为350 kg / m3,水灰比为0.55。表1列出了每种混合物的组成。表1.混合物组成。材料1号2号S-3孜然(kg / w)350350350添加剂(毫升/千克)1.91.91.9碎石(M.S. 19毫米)(kg / m3)810810810沙(kg / m3)102710201014水(kg / m3)193193193纤维(kg / m3)02040空气含量(%)1.82.52.8坍落度(毫米)130115105网络时间6793.1.断裂试验方法 使用了三种不同的混合物,以及四种不同的切口深度(即0、13、25和50 mm)。需要第一混合物作为参考系列(即,体积纤维,Vf = 0%)。用这种混合物制成每个深度为150 mm×150 mm×600 mm的6根光束。因此,总共构造了24个标本。在第二和第三混合物中,分别使用了0.25%和0.50%的纤维体积(Vf)。因此,对于每种混合物和每种切口深度,总共也要制造24个样品。因此,总共48个棱柱形试样由纤维制成,具有上述尺寸和切口深度。通过对72个样品(普通混凝土和纤维增强混凝土)进行了开槽弯曲挠曲试验,评估了添加钢纤维对开裂后性能的影响,并对其进行了描述。相应的陷波深度比(a / d)分别为0、0.08、0.16和0.33。值得一提的是,开槽步骤是根据标准EN 14651-2005进行的,其中常见的开槽深度为25 mm [20]。在该实验程序中,使用了裂口张开位移法(CMOD)相对于施加的载荷作图。开口的测量采用夹式引伸计进行,标距长度为20 mm,行程为+12 mm / –2 mm(见图1a和2a),目的是估计通过防止诱发裂纹的扩大,具有通过样品的裂纹面传递纤维应力的能力。此外,将线性范围为12.7 mm的线性可变差动变压器(LVDT)放置在试样的中跨处,以测量由于施加的载荷引起的位移,并确定钢纤维对钢的韧性和延展性的贡献。复合材料(见图1b和2b)。 (a) (b)图1.棱柱形试样的拉伸弯曲试验。 (a)通过引伸计夹式Epsilon品牌测量裂纹口的开口。 (b)通过VISHAY品牌的线性可变差动变压器(LVDT)测量样品中跨的挠度。图2.三点弯曲测试的配置,尺寸以mm为单位。 (a)裂纹口的测量。 (b)用LVDT测量中跨位移。3.2.负载和应力处于比例极限实验结果从所述负载在比例极限或从负载为初裂(FL),其为负载的记录到为0.05mm并[a CMOD较大值而获得9,36 ]。借助于等式(1)[ 20 ]计算出在出现第一裂纹时相应的作用应力。其中f L =比例极限处的应力(N / mm 2),F L =比例极限处的载荷(N),L =试样的跨度(mm),b =试样的宽度(mm),hsp =试样顶面与引起裂纹的尖端之间的距离(毫米)。3.3.正态和特征残余应力在剩余阶段,钢纤维的贡献至关重要。在裂后阶段,该贡献是通过法向应力(f Rj),所测CMOD的每个特定值获得的,并由等式(2)计算[ 20 ]。其中f R,j =在点j处的法向残余应力(N / mm 2),f Rk,j =在点j处的特征残余应力(N / mm 2),F R =给定裂纹口开口的载荷位移测量。f R,1,f R,2,f R,3和f R,4的值是0.5、1.5、2.5和3.5 mm裂纹嘴开口的法向残余应力(N / mm 2) , 分别。以类似的方式,f Rk,1,f Rk,2,f Rk,3和f Rk,4的值是0.5、1.5、2.5和3.5 mm的特征残余应力(N / mm 2)。分别开口。在这项研究中,特征残余强度的评估是根据CEB-FIP模型代码2010 [ 44 ]中建立的程序,通过方程式(3),以及在Molins和Arnau 2012中获得的因子进行的;RILEM TC-162,2003,在所列出的表2 [ 45,46 ]。 其中,n =测试样本的数量,k xN =当总体集合的变异系数已知时的统计因子,k xn =当总体集合的变异系数未知时的统计因子。 表2. 系数k x与被测样品数量的关系。n123456810κξγ2.312.011.891.831.81.771.741.72κξγ3.372.632.332.1821.92 3.4.断裂能纤维增强混凝土试件的断裂能估算采用了两种模型,它们各自的参数和原理互不相同。对于模型1,Barros等人提出。[ 47 ]如式(4)所示,需要诸如样品质量和最终位移的测量参数。另一方面,对于第二个模型,需要使用图[ 48 ]。Kazemi等人提出的模型2。[ 48 ]由等式(5)表示,并假设将试样断裂所需的功与破裂表面成正比:其中GF=总断裂能(N/ m); Wf=曲线载荷下的面积与裂缝开度(或位移)的关系,是由于断裂引起的功(N-m)或(J);m =样品质量(kg); a =样品的总长度(l)与跨度(支撑之间的长度)(L)之间的关系; a0 =初始切口深度(m); b =样品宽度(毫米); d =光束深度(米); g =重力加速度常数(9.8 m/ s2);Su=测得的位移或裂纹开口的最大值(m); S =装置的标准偏差(N /mm2);L =试样长度(毫米); r =试样顶面与裂纹尖端之间的距离(m)。4.结果与讨论4.1.比例极限行为图3显示了三个系列中每个系列在比例极限下的负载获得的结果。可以观察到,随着切口深度比(a/ d)的增加,负载能力降低,其中对于比率(a/ d)分别降低了33%,53%和66%分别为0.08、0.16和0.33。因此,随着切口-深度比的增加,混凝土变得易于破裂失败。这种现象是由于断裂加工区(FPZ)的减少,也称为韧带长度,它在开裂过程中允许更高的能量耗散[48]。 Zihai Shi [49]也认识到了这种负荷的减少,其中韧带长度的减少导致峰值负荷的减少。图3. 比例极限下的实验行为。以相同的方式,在图3中,还可以观察到,负载阻力主要取决于混凝土的阻力面积,而不取决于所添加的纤维量。这可以通过观察在不同纤维体积Vf下每个比率(a / d)所获得的相似载荷值来识别,这表明,对于第一个裂纹发展之前的阶段,纤维几乎或根本没有影响复合材料的强度。从该行为,获得了一般图形(参见图4),其行为也可以用公式(6)描述。 图4. 比例极限下的一般行为。表3列出了每个研究系列的第一个裂纹出现所需的应力。在该表中,计算的应力趋于随着切口深度的增加而减小。另外,对于那些没有初始刻痕的试样,与具有初始刻痕的试样相比,要求更高的应力才能使第一个裂纹出现。与最初产生缺口的混凝土面积相比,这种行为与试样中混凝土面积更大。但是,值得注意的是,(a / d)= 0的试样显示出较大的变异系数(CV),这是因为未控制开裂过程,并且在试样的整个长度上裂纹可能出现在不同的区域,导致残余行为的变化。表3. 在比例极限(N / mm 2)处的计算应力。对于系列1和2,获得的结果分散最少,比率(a / d)= 0.16,这是标准EN 14651,2005 [ 20 ]所建议的陷波深度比。与所研究的其余(a / d)比率相比,观察到了裂化过程的控制。此外,比率(a / d)= 0.16时,在后裂化阶段中获得了纤维性能的更代表性的行为。而且,以该比率,深度足够大,以利于在所需区域中出现第一裂纹,并产生足够大的混凝土区域,以使纤维在残余阶段中适当地传递应力。4.2.破解后行为图5-8显示了在弯曲拉伸试验中,钢纤维系列和每种(a / d)比的结果。在这些图中,可以注意到,如前所述,在比例极限(曲线的线性部分)处的负载与所用纤维的数量无关。此外,还可以观察到,纤维的主要作用是在后裂化阶段获得的[13,15,50]。 图5. (a / d)= 0的弯曲拉伸试验曲线:(a)系列1和(b)系列2。 在对应于系列2的图中,与对应于系列1的那些相比,在裂后阶段显示了更大的性能,其残余载荷等于或什至大于在第一裂化过程中获得的平均载荷。发生阶段。由于使用了大量的纤维(即,Vf = 0.50%),这导致硬化行为,这通过增加通过裂纹面传递应力的能力而改善了裂纹后阶段的性能。图6. (a / d)= 0.08的弯曲拉伸试验曲线:(a)系列1和(b)系列2。图7. (a / d)= 0.16的弯曲拉伸试验曲线,(a)系列1,(b)系列2。通过分析这两个获得的曲线的结果,在图5-8中,可以在残余阶段以小于4 mm CMOD的值观察到样品的最大性能,这相当于在3.64 mm处的位移。中跨,之后开裂性能会降低。这是最重要的,因为通常在计算光纤性能时考虑该值,对于中跨度的3.5mmCMOD或3mm挠度,该值是获得的[9]图8.(a / d)= 0.33的弯曲拉伸试验曲线:(a)系列1和(b)系列2。 4.3.正常残余应力在图9中,显示了两个研究系列的法向残余应力(fR,j)的结果。基于所使用的(a / d)比率,可以注意到,从图9a-d中可以看出,比例极限处的载荷值是一致的,与所使用的纤维量无关。这表明纤维在第一次破裂发生之前的阶段几乎没有影响。还值得注意的是,通过增加比率(a / d),通过增加纤维的剂量可以改善所产生的残余性能。例如,比率(a / d)=0的样品的残余性能增加了61%。同时,(a / d)比分别为0.08、0.16和0.33的序列分别增加了157%,129%和86%。以相同的方式,对于0.08至0.16的比率,随着纤维剂量的增加而达到最大性能,而对于0.33,其残余性能降低。4.4.特征残余应力在图10a,b中,显示了系列1和2的每个(a / d)比的特征残余应力(fRk,j)的实验结果,以及每种情况下它们的相应平均应力曲线。可以注意到,特征残余应力对法向残余应力的变化非常敏感。这可以在图10a中得到验证,图10a中的比率(a / d)= 0和0.08显示的残余性能低于从比率(a / d)= 0.16和0.33获得的残余性能。因此,比率(a / d)= 0和0.08不符合标准EN 14845-2,2006 [41]中确定的最低要求。对于系列1,通过增加比值(a / d),可以在开裂后阶段获得更合适的性能,这表明在试样表面上有足够的应力传递。另一方面,在图10b中,通过使用大量的纤维(系列2),特征残余应力满足标准的最低要求[41]。但是,关于系列2的比率(a / d)的行为与在系列1中获得的结果不一致,因为比率(a / d)= 0.08提供了所有所用比率中的最佳残留性能(请参见图10b)。这可能是纤维数量影响的结果,纤维数量可以在较大的混凝土区域中更好地分布。对于两个系列,比率(a / d)= 0均显示最差的性能。(b) (b) (c) (d)图9.纤维系列和每个研究的(a / d)比(a)0,(b)0.08,(c)0.16和(d)0.33的残余法向应力。切口深度比对钢纤维混凝土开裂后行为的影响(下) 点击:查看更多其他分类文章 免费试用文档翻译功能免责声明:福昕翻译只充当翻译功能,此文内容及相关信息仅为传递更多信息之目的,仅代表作者个人观点,与本网站无关,版权归原始网站所有。仅供读者参考,并请自行核实相关内容。若需要浏览原文、下载参考文献等,请自行搜索文中提到的原文网站进行阅读。 来源于:mdpi
2021-01-19 19:00:19
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切口深度比对钢纤维混凝土开裂后行为的影响(下)
切口深度比对钢纤维混凝土开裂后行为的影响(上)从实验中获得的接近平均法向应力的特征残余应力的评估要求测试之间的分散度较低。这可以通过增加样本数来实现。这将导致统计不确定性因子kx减小,因此结果的变化将较小。在表4中,示出了两个系列的残余强度的分类。根据模型代码2010(MC-2010)[44,45]的建议,对于分类,分别对五个和六个样本进行了测试,系数kxn = 2.33和2.18。没有分类的(a/d)比是没有达到最小特征残余强度1N /mm2的比。对于系列1的比率(a/ d)= 0和0.08所获得的结果低而不足,不足以达到最小特征残余应力并能够对其残余行为进行分类。相反,比率(a / d)= 0.16和0.33在它们各自的残余响应中显示出完美的塑性行为和硬化行为。图10. 每个(a / d)比的特征残余强度:(a)系列1和(b)系列2。如表4所示,系列2的结果表明,通过增加(a/d)比率,也会在残余阶段提高性能,这可能会导致硬化行为,如表4所示。 (a/ d)= 0.33比率。这证明了纤维含量足够高,可以在弯曲下表现出硬化行为[50]。这表明,即使通过增加比率(a /d)减小到达第一裂纹的峰值载荷,通过改善残余阶段的性能,纤维的添加也可以达到甚至超过这种载荷。该行为将不取决于破裂表面上的总纤维量,而是取决于对水泥基体的破裂过程的控制有有效贡献的纤维量。4.5. 钢纤维混凝土的断裂能如表5所示,系列1的(a / d)比的增加对断裂能产生不利影响,如用断裂功模型1计算的那样。这表明具有纤维的增强基体无能为力。阻止裂纹扩展;这与系列2中观察到的相反,在系列2中,通过使用大量的纤维(即40 kg / m3),即使(a / d)比增加,断裂能也会增加。这种行为意味着,由于存在大量的纤维,通过整个裂纹面的应力的桥接机制,裂纹强度会增加,这会在基体中产生多重裂纹条件。表5. 用模型1 [ 47 ]计算的用纤维增强的样品(系列1和系列2)的断裂能。这样,由于钢的提取过程,裂化后阶段获得的断裂能将受到位于水泥基体中的纤维量以及残余阶段中传递应力的能力的影响。纤维由于其钩状端的拉直而产生较高的能量消耗。通过限制裂纹的扩展以及限制裂纹的发生,它们也具有减小裂纹上部应力集中的能力[36,37,51-57]。如前所述,在比率(a / d)= 0.08和0.33的情况下,考虑到系列2的断裂能的平均增量超过100%,断裂能表示纤维在残余阶段的重要贡献。 ,相对于系列1获得的结果。对于比率(a / d)= 0,相差仅为57%;对于这表明样品中没有缺口将无法使纤维有效发挥作用,从而限制了能量断裂的增加。图11a,b显示了用于斜率裂缝工作模型(模型2)的剩余阶段裂缝能量计算的图表。在这些图中,代表了每组测试样品以及韧带的初始大小(样品顶面和缺口尖端之间的面积)。考虑到断裂功与开裂表面成比例,并且开裂的最终面积等于韧带的初始面积[48]。图11.用斜率断裂功模型2计算断裂能的曲线拟合:(a)系列1和(b)系列2。在这些图中,对于缺口从上到下的裂隙梁,认为零能量的必要性。这意味着假定曲线从原点开始。此外,曲线的斜率表示裂纹扩展一个深度单元所消耗的能量。通过将该斜率除以梁的宽度(b),可以得出所需的断裂能。值得一提的是,通过该模型获得的断裂能结果与第一个模型获得的结果相对接近。这些值在表6中表示,其中GF(1)和GF(2)分别代表从模型1和2计算得到的断裂能。表6.通过研究模型计算的断裂能(GF)[58]。可以看出,第二个模型与结果的变化有直接关系,因为通过获得高变化系数,因子R2也将增加。这可能导致难以获得复合材料的后裂化阶段行为的代表性结果。5.结论本文介绍的结果仅限于具有钢纤维的纤维增强混凝土,并且已描述了体积纤维的百分比。因此,需要使用其他类型的纤维(合成纤维和天然纤维)并具有不同的特性进行实验,以扩大改善混凝土开裂后响应的机会范围。根据结果,可以得出以下结论:1. 假设在每个研究系列中获得的载荷值都是封闭的,则比例极限下的载荷不受钢纤维添加的影响。这表明,在此阶段,材料的性能主要取决于水泥基质和剩余的混凝土面积。2. 荷载和应力在比例极限处表现出与缺口深度比成反比的行为,这种比例的增加将导致混凝土易于失效。3. 纤维剂量的增加导致法向和特征残余应力的改善。4. 对于系列2,切口深度比(a / d)的增加会增强法向和特征残余性能。对于比率(a / d)= 0,法向残余应力的增量为61%,而对于比率(a / d)= 0.08、0.16和0.33,增量为157%,129%和86 %, 分别。比值(a / d)= 0.08提供了所有考虑的比值中最佳的特征残留性能。5. 对于系列1,切口深度为25毫米,等于(a / d)的比值为0.16,是满足国际标准中规定的最小残余应力要求的唯一比率。6. 对于少量的纤维(在这种情况下为20 kg / m 3)和小的(a / d)比(即a / d <0.16),由于残留强度的最小分类是不可能的,这是由于样本无法达到最小值的事实。7. (a / d)= 0.33可以得到更大的残余强度分类,这意味着开裂后的性能不取决于混凝土,而是取决于纤维传递应力的能力。试样的裂纹面以及位于分析区域的纤维数量。8. 通过将纤维体积从20 kg / m 3增加到40 kg / m 3,断裂能增加了约97%(模型1)和约35%(模型2)。这意味着钢纤维有助于改善复合材料的残余性能。9. 对于系列2,即使(a / d)比也增加,断裂能也会增加。大量纤维的存在使抗裂强度增加,并在基质中产生多重裂化条件。10. 所使用的数学模型显示出相似的结果,尤其是对于混凝土中钢纤维含量高的情况。11. 相对于标准中推荐的比率,本研究中获得的结果将为不同比率(a / d)提供实验参考框架,这可以有助于对从实验室测试确定的残余应力进行分析的标准。参考文献1. Selvamani,G。 Duraisamy,S .; Sekar,A。《纤维增强混凝土综述》。诠释J.文明。技术。 2016,7,1–8。2. Orbe,A。 Rojí,E。; Square,J .; Losada,R.优化结构HACFRA(钢纤维增强的自密实混凝土)组成的研究。建筑信息2015,67,e061。3. Vairagade,V.S .;Kene,K.S.使用金属和合成纤维的普通混凝土的强度。 Procedia工程师。 2013,51,132–140。[CrossRef]4. 艾莉·H;安东尼斯冲绳约束钢纤维混凝土梁的试验研究。 Procedia工程师。 2015,125,1030–1035。 [CrossRef]5. Tiberti,G .; Minelli,F.;Plizzari,G.钢纤维在钢筋混凝土构件中的开裂行为:一项综合实验研究。 Cem。确认Res。 2015,68,24–34。 [CrossRef]6. G. A.S.Santhi;加内什(Ganesh)卷曲和钩端的钢纤维对混凝土抗冲击性的影响。J.应用科学。 2014,17,259–266。[CrossRef]7. 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2021-01-20 19:08:54
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最近地球转得更快了
The Earth has been spinning faster lately最近地球转得更快了by Bob Yirka , Phys.org鲍勃·伊尔卡(Bob Yirka),Phys.orgPublic Domain公共领域Scientists around the world have noted that the Earth has been spinning on its axis faster lately—the fastest ever recorded. Several scientists have spoken to the press about the unusual phenomenon, with some pointing out that this past year saw some of the shortest days ever recorded.世界各地的科学家都注意到,最近地球自转的速度是有史以来最快的。一些科学家已经向媒体发表了有关这种异常现象的谈话,其中指出过去一年的一些记录是有史以来最短的。For m
2021-01-08 16:11:15
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大火前后的巴黎圣母院大教堂的声学调查
布莱恩·F·G。卡茨*和安东尼·韦伯法国巴黎CNRS Sorbonne大学Jean Le Rond d´Alembert研究所UMR7190,法国; antoine.weber@dalembert.upmc.fr*通讯:brian.katz@sorbonne-universite.fr 收到:2020年9月27日;接受:2020年10月29日;发布时间:2020年11月6日摘要:巴黎圣母院大教堂是世界上最著名的礼拜场所之一。它的体积大,加上相对裸露的石头结构和大理石地板,导致相当长的混响时间。大教堂在2019年遭受大火,主要损坏了屋顶和拱形天花板。尽管此空间臭名昭著,但有关该空间的声学参数的已发布数据很少,这些数据并不一致。恢复了1987年的存档测量记录,发现其中包括几次气球爆炸。 2015年,针对虚拟现实项目进行了测量会议。这两个阶段的结果之间的比较显示,在开火前,混响时间略有减少(8%)。火灾发生1年后,最近在施工现场进行了测量。与2015年的数据相比,混响时间显着减少(20%)。本文介绍了这些测量的初步结果,并提供了有关这具历史悠久的朝拜空间在2019年大火之前和之后的声学记录。 关键词:室内声学测量巴黎圣母院;混响时间文化遗产1. 介绍礼拜场所的声学已成为数十年来研究的主题。由于其巨大的规模,这些空间已在多个世纪以来用于文化和宗教活动。这样的空间经常表现出声音异常(例如,耳语的画廊和耦合的体积)。吉隆(Girón)等人综述了这项研究的重要部分。 [1],讨论了不同的实验程序,结果及其理论解释。在具有重要历史意义的空间中进行了许多著名的研究:圣彼得大教堂[2],圣索非亚大教堂(Haghia Sofia)和苏莱曼清真寺(SüleymaniyeMosque)[3],圣约翰洗礼池[4],圣日耳曼德佩雷斯修道院[5]和圣保罗大教堂[6]。巴黎圣母院大教堂(CathédraleNotre-Dame de Paris)是世界上最著名的礼拜场所之一。这座中世纪大教堂被广泛认为是法国哥特式建筑的最好典范之一。大音量加上其巨大的裸露石灰石和大理石表面,导致长的混响时间。尽管该空间声名狼藉,但很少有已发布的有关该空间的声学参数的数据示例。巴黎哥特式大教堂建于12世纪末,成为欧洲音乐创作的象征地,历史学家称其为“巴黎圣母院”。文件证明了这一时期的音乐活动,并且可以认为这种巴黎复音的惊人发展与1182年新合唱团举行的礼拜式组织相吻合。巴黎圣母院大教堂的法令颁布于1198年和1199年,主教Eudes de Sully证明了大众,办公室和贝纳迪卡莫斯·维斯珀多米诺骨牌的两种,三种和四种声音的实践[7,8]。 我们很幸运有一位英国校长撰写的历史性文字[9],描述了这座大教堂合唱团1275年左右的音乐习惯,在此之前,器官和半即兴的传导性的声音可能会朝后殿升起在各种手稿中都有记载,这些手稿证明了Magnus liber organi的丰富性[10](巴黎圣母院在12世纪和13世纪之交时使用的拉丁语“器官大典”)。几个世纪以来,这种方法不断发展,随着格里高利旋律的出现,这些旋律逃离了封闭的合唱团,或者随着游行队伍而流通,风琴,铃铛的声音和法佛对位的复调作品混合在一起。 “ 1498年任命安托万·布鲁梅尔(Antoine Brumel)带来了新鲜的空气:费拉拉公爵未来的合唱团指挥官带来了佛朗哥-佛兰德和弦的最好和最新的复音” [11]。音乐史将铭记安德烈·坎普拉(AndréCampra),让·弗朗索瓦·拉洛埃特(Jean-FrançoisLalouette)或让·弗朗索瓦·莱苏厄尔(Jean-FrançoisLesueur)等伟大的大师和作曲家的名字,他们在革命时期后组成了著名的加冕典礼,供拿破仑进入大教堂1804年,以及加冕大礼的各种作品。2019年4月15日,巴黎圣母院大教堂的阁楼发生火灾。由此产生的损坏摧毁了屋顶,并在尖顶和其他碎屑掉落时在拱形天花板上留下了三个大孔。随着修复工作的继续,在大教堂的结构和材料方面进行了大量的记录工作,这项工作介绍了近期的工作,以记录大教堂的室内声学状况,对火灾前和火灾期间采集的数据进行了分析。重建过程。这项工作的某些要素先前已经在科学会议上提出过[12]。2. 已发布的声学数据尽管该空间声名狼藉,但很少有已发布的有关该空间的声学参数的数据示例。 Hamayon [13]提出了混响时间估计作为八度频段的函数[125至4000 Hz:8.5、8.0、7.5、6.0、4.5、2.7 s]。 Mercier [14]提出的建议略有不同混响时间值[125至4000 Hz:8.5、8.2、6.5、6.2、4.7、2.5 s]。两项研究都仅介绍了混响时间,而没有任何参考或测量协议信息。3. 材料和方法:20世纪和21世纪的测量 3.1. 1987年的历史数据档案记录(1987年)是从有关一个新器官的声学研究中恢复的[15],其中包括几个气球破裂。测量协议—图1a显示了1987年带源-接收器(SR)位置的测量的测量计划。尽管采用了使用不同刺激的多种技术,但由于缺少刺激细节(例如,消声信号,扫描刺激参数),仅可利用气球爆裂源。从源位置1记录了三个气球爆炸,从源位置2记录了1个气球爆炸。这些位置对应于大教堂的“相对”源位置[16],其中S2在变位子和祭坛区域的中心附近。 S1在讲坛附近,更靠近公共区域的中心。测量设备的输入-用13个全向麦克风记录声音,这些麦克风连接到多轨线对线录音机(Tascam)。虽然不是理想的全向声源,但气球爆裂在某些情况下还是有用的工具,它提供了便携式脉冲源[17]。记录从模拟磁带上数字化。图1.巴黎圣母院大教堂(a)1987,(b)2015和(c)2020届会议的测量计划。位置居中于编号源(S#(红色))和麦克风(#(蓝色和绿色))标签下,或在所测量的网格过于密集的点处。 2020年计划(c)还在阴影区域指示了无法放置测量设备的脚手架(黄色),人为禁止区域(红色)和禁止区域的受阻碍/损坏的地面(蓝色)。3.2. 2015年的详细测量在2019年大火发生前的将近4年的2015年4月13日晚上,在一次小型音乐会演出之后进行了一系列声学测量。测量协议-图1b显示了测量计划,突出显示了2015年测量的S-R位置(请参见图2a中的照片)。源位置反映了1987年的测量结果,以及代表合唱团的S3和1987年测试的S4,尽管在进行测量后没有发现气球爆裂。在2个正弦扫描的三个测量组中,执行了麦克风1–8更改位置的操作(高度为1.5 m,这些麦克风的更改位置由测量位置后面的字母表示)。由于外部噪声过大,首次测量重复进行了两次,共87次,形成了4组测量值。麦克风9-16悬吊在天花板上(88层上方7 m,以捕获混响场供唱片工程师用于音乐会录音),因此89保持在同一位置,因此记录了八个类似的RIR。这些重复的90次测量允许研究随时间变化的声学响应的稳定性,其中91次解决了温度变化的细微影响[18]。在最后一次扫描测量之后,在每个源位置记录一个气球爆炸,而接收器在最终位置。(a)(b)图2.(a)2015年的状况照片,突出显示了测量期间测量设备,地毯滑道和小型音乐会立管; (b)2020年,突出显示在测量过程中由遥控机器人,障碍物和中殿的总体空状态拉动的麦克风三脚架。测量设备的输出-音频输出被发送到放大器(SAMSOM,美国Servs120a型,希克斯维尔),并依次发送到四个微型十二面体声源(三博士,3D-032型,日本东京)。信号-激励信号基于扫频正弦法。扫描频率从20到20,000 Hz,在20 s内呈指数增长。但是,由于这些特定扬声器的频率响应,在250 Hz八度频段以下的能量不足,无法进行分析。使用DAW软件Reaper和声卡(RME,Fireface 800,德国海姆豪森,德国)以44.1 kHz的采样率播放扫描。测量设备的输入-混响信号是由两个测量链记录的,因为测量的会话是与音乐会录音设备一起进行的。(I)用5个全向麦克风(4个DPA(丹麦Alleroed),4006型(1-4)和1个Schoeps(德国卡尔斯鲁厄)MK5型全向麦克风(5)以44.1 kHz的采样率记录扫描。 ,1个虚拟头(KU-80,配备DPA 4060)和1阶Ambisonic麦克风(Core Audio,Tetramic,Teaneeck,NJ,美国),所有这些都使用声卡(RME,Fireface 800)录制。 )使用其他11个全向麦克风(6个DPA 4006型(11–16),5个Schoeps MK5型全向麦克风(6–10))和声卡(RME)以48kHz的采样率记录扫描,Micstacy)。3.3. 2020年重建后大火的测量准许进入重建现场,并于2020年6月30日进行了声学测量。由于工作现场的限制,只能进入某些区域。由于存在掉落碎片的风险,中殿和中庭已禁止人员进入,如图1c所示。链节/坛大理石地板的中央部分被尖顶掉落损坏。合唱团区域杂乱无章,由救援队整理,因此完全无法进入。许多侧面祭坛已被用来存储物体。还安装了用于移除器官的脚手架和围绕中殿的保护屏障(建筑围栏和腰高的穿孔金属板)。见图2b中的照片;在线(https://youtu.be/YLi7ASosKvw)上有一段简短的视频记录了测量会话。测量协议-图1c显示了测量计划,突出显示了2020年测量的S-R位置。在给定访问限制的情况下,选择扬声器的源位置S1,使其尽可能接近先前测量中使用的位置。源位置S2用于手持式脉冲源,因为这是最接近S1的位置。遥控机器人(用于隧道检查)被用来拉动安装在三脚架上的麦克风。麦克风位置1-5代表第一测量轨迹。由于剩余的时间,机器人的返回轨迹(位置6-19)允许更密集的分布。从位置S1开始进行抽奖。测量设备的输出-声源是电池供电的十二面体声源(Look Line,S103 ACDC,意大利Massa Finalese),配备有自己的内部放大器和扫频发生器,远程控制,位于声源位置S1。激励信号是内部20 s扫描正弦波。在禁区的极限处,从源位置S2进行了几次补充冲动刺激,手枪开枪射击和气球爆裂。测量设备的输入-混响的信号记录在各种便携式记录设备上,以限制由于机器人操作而引起的布线和混乱。除了使用一对MS(Zoom,H6)外,还使用两个与便携式录音机(Zoom,H6,东京,日本)连接的全向麦克风(Bedrock,BAMT1 1/2”,荷兰代尔夫特)进行录音。将两个3D麦克风(Core Audio,Tetramic和Octomic)记录到便携式录音机(Zoom,F8)上。最后,使用了两个自主3D麦克风(Zoom,H3-VR),一个与360°摄像头(三星,Gear360,韩国首尔)配合使用。源/接收器的高度为1.7 m,受限于用于放置设备的带轮三角架设备。3.4. 后期处理随后的反卷积扫描正弦刺激,采样率转换和后处理步骤在MATLAB中执行。根据我们的内部MATLAB IR分析(IRA)工具包,根据ISO 3382标准对RIR进行了分析[19]。3.5. 建筑细节巴黎圣母院长约130 m,宽48 m,高35 m。在与巴黎圣母院办公室的电话交谈中,确认在几个区域安装了地毯滑道,并且在与前两个海湾相邻的两个礼拜堂(侧面壁or或海湾)中增加了两个确认亭。在这段时间里因此,1987年和2015年之间的区别主要是安装了地毯滑轨(见图2a和3a)。从2015年到2020年,大火后的主要区别是拆除地毯滑道,拆除长椅和拱形天花板上的孔。图3b显示了修复团队在天花板上报告的主要孔洞。使用2D投影(忽略高程拓扑),建筑图纸中的孔大小估计为263 m2。根据上述尺寸,这相当于包围盒表面积的1%。(a)(b)图3.巴黎圣母院大教堂的示意图突出了特定的表面。 (a)突出显示座位位置(黄色)和增加的地毯流道(红色)的计算机模型; (b)指出拱形天花板(2020)中主要孔洞(红色)的建筑图。4. 测量结果 4.1. 声学参数由于三个测量会话期间信源/接收器位置的变化以及2020年测量条件的巨大差异,此处介绍的初步分析重点是混响时间测量,而不是对本地建筑特征更敏感的参数。在所有三种测量条件下,通过全向麦克风计算平均混响时间(T20),如图4a所示。图4.接收机平均混响时间汇总,衰减曲线示例和耦合体积分析,(a)具有标准误差棒的全向麦克风的平均混响时间(T20)。 2020年的结果显示了扫掠刺激(S1)和脉冲源枪击(S2,Rec位置1-5)的结果; (b)八度带滤波的RIC衰减,标准化,优化的SNR截断,2020扫描激励数据集的示例; (c)全斜率衰减500Hz-八度频带分析分布,显示RIC衰减曲线中所识别弯曲点的早期和晚期混响时间以及相对时间(BPt)和电平(BPdB)([20],以获得参数详细信息)。带刻度的箱线图显示了数据分布的中位数,95%置信区间,第25和第75个百分位数。 2020年测量协议采用了非同步音频输入/输出设备。虽然设备之间精确时钟速率的差异可能会导致解卷积信号的时间失真,但Hak和Hak [21]已表明,与MLS信号相比,这种误差对扫频刺激的影响较小。另外,在该研究中发现典型的时钟误差足够小,以致混响时间的预期偏差将小于百分之几。为了验证异步措施,还从源位置S2计算了2020年脉冲源枪射击的混响时间。结果表明,两种测量方法之间的差异在不同位置和频率的标准误差范围内有所不同,除了250Hz频段显示稍高的值(增加7%)和125 Hz频段缺乏足够的分析能量。从整个测量时段的混响时间来看,从1987年到2015年平均降低了8%。2015年和2020年之间的比较显示,整个频段的降低显着得多,T20的平均降低了20%。仔细检查RIR可以提供其他信息。图4b中显示了用于计算上述房间声学参数的RIC示例。衰减曲线显示出一个陡峭的阶跃或“悬崖”响应,正如在露天剧院中所观察到的[22]。考虑到除了光滑的空地板以外没有近端反射表面,这是合理的。在响应的较早和较晚部分之间,衰减率会出现一些细微变化,这表明体积行为呈轻微耦合。使用行进线多斜率分析方法对此进行了进一步分析[23,24]。为简便起见,此分析仅限于500 Hz倍频程滤波的RIR,并使用可比较的源和接收器位置与2020年缩小的测量区域将2020年的测量结果与2015年的子集进行比较。此方法除了可以描述时间和水平上的弯曲点外,还可以估算RIC的早期和晚期衰减率。相对于RIR发作。由于耦合体积衰减的行为随复杂体系结构中的源和接收器位置而变化[25],因此将比较每个参数的结果分布,比较2015年和2020年的RIR,比较下半部分的源和接收器位置中殿(两个数据集中的共同测量区域)。非线性衰减分析的结果(如图4c所示)反映了如图4a所示的混响时间的总体减少,同时也突出了存在非线性衰减时使用ISO参数的问题。结果显示,早期和晚期衰减率均下降,表明主要和次要“体积”均减小。在Notre-Dame的情况下,对不同声音音量的界定不如在耦合混响音乐厅设计中那样明显和明显。但是,由于其较高的天花板,可以将Transept与其他空间完全不同,而侧面区域(Transept除外)具有多个水平。由于拱形天花板中的孔位于收发器区域内(图3b),但是其中一个孔位于源/接收器区域上方,因此可以想象这种损坏会影响多个声学“体积”。在这些体积中衰减率的降低还导致弯曲点时间的减少,并在较小程度上降低了水平,并且应注意,所有这些参数都与声耦合条件有关。 2015年情况的后期混响时间的可变性可能归因于空间的复杂性以及各种声学区域,这不仅导致了简单的双斜率衰减,而且导致了更高阶的耦合。需要进行进一步的分析和测量以进一步检查该假设。最后,根据Luizard等人的观点,考虑可感知的可检测性。 [20],耦合条件下早期衰变率的平均正差(JND)约为7%至10%,是晚期衰变的两倍。同样,BPt的JND约为15%到30%,涵盖了此处观察到的差异。这样,可以确信地说声学条件的差异是清晰可听的。4.2. 空间分析空间房间脉冲响应(SRIR)可用于房间声学的比较方向分析。这里选择的方法是一种参数化方法,即空间分解方法(SDM)[26]。基于这样的假设,声场可以描述为一连串的平面波,因此SRIR可以分解为一组离散的压力值及其对应的到达方向(DOA),即图像源为归因于每个时间样本。为此,将一个以目标样本为中心的小时间窗口应用于SRIR,并通过最小二乘解估计到达时间差(TDOA)的DOA。理想情况下,使用阵列中心的全向脉冲响应来分配压力值。该方法已用于音乐厅SRIR的分析和声音化[27],也用于其图形表示[28]。这些工具在MATLAB软件包SDM Toolbox [29]中实现。SDM分析应用于使用相同3D四面体麦克风阵列进行的2015年和2020年测量。使用A格式信号(代表接近重合心形麦克风的四面体阵列)估算DOA。对于所使用的麦克风,将分析窗口设置为最小允许大小,该大小是脉冲通过阵列传播所需时间的两倍,对于所使用的麦克风而言,大约为0.4毫秒。为了获得麦克风中心的压力值,这是SRIR的图形表示所必需的,使用了后处理的B格式全向W通道信号,因为这种分配应应用于与方向无关的RIR。图5中显示了类似的源-接收器对位置的中值平面和侧面平面的结果。需要注意的是,在2020年,没有座位,地板空着。相比之下,2015年既有长椅,也有一些舞台上升器,椅子和乐谱架代表着音乐表演(见图2a)。在比较这些结果时,可以进行一些观察。(a)(b)图5. SDM分析显示了从0 ms到[10,50,100,200,300,500,1000] ms的累积能量极性分布曲线,带通滤波了100 Hz至5000 Hz,滑动平均值为5°。指示了源位置(红点)。 (a)SDM分析:状态2015,Src S2–Rec 1c; (b)SDM分析:状态2020,Src S1,建议16。从CNRS/MC为修复巴黎圣母院而采取的科学行动的数字平台上获得的纵向截面,来源:Andrew Tallon进行的3D激光扫描(2016)。关于直接声音,2015年显示的声音既局部又清晰(略微升高,这与它的位置以及当时的声源都升高相对应)。地板反射不可见,可能是由于椅子和长椅的存在。到2020年,直接声音“波瓣”变得更宽广,不那么尖锐。检查侧视图图,直接声音(实际上是响应的初始0 ms到10 ms窗口)呈现出略微负向的升高。这可能是由于平坦的地板空了,在10毫秒的分析窗口内对地板的强烈反射进行了计数,从而降低和扩大了响应的早期部分。关于累积能量,在2015年,能量从各个方向相当平稳且均匀地增加,如后续能量轮廓曲线之间的规则径向间距所示,最大增加幅度为100至200 ms,因此反射以35至70的路径差到达米后的直接声音,主要归因于拱形天花板。横向能量的首次增加是在直接声音到达后的10到50毫秒内发生的,这与中殿中的列行以及侧阳台的反射相吻合。在平面和截面上,包含0到1000 ms的最终分析窗口在-10 dB的相对水平下相当圆。相反,如先前的分析所述,2020年的结果显示,在初始时间窗口之后,能量的阶跃函数降低更多,这表明在整个时间(尤其是在垂直方向)上都缺乏随时间的渐进反射累积。在所有方向上平均的200到1000毫秒之间的相对累积水平为2dB,比2015年的结果低2dB。5. 讨论与未来工作由于[13,14]中的数据与2015年的测量结果相当,因此可以得出结论,导致更短混响时间估计的变化是在1987年至1996年之间进行的。由于巴黎圣母院大教堂的体积相当大,混响时间差必须是实质性变化的结果。还可以考虑大气条件影响混响时间结果的可能性。然而,由于温度和相对湿度主要影响1000 Hz以上的混响估计[30],因此可以将其排除为减少混响时间的原因。因此,地毯跑步者可能是候选人。自2019年毁灭性大火以来,混响时间的减少显而易见。使用扫频正弦波和脉冲源以及相对近端位置都观察到相同的差异。导致T20急剧降低20%的建筑元素仍有待验证。非线性衰减率或耦合声量分析突出了这样一个事实,即变化的规模很大,影响了大教堂的不同区域,为此,拱形天花板上的孔可能是至少起重要作用的候选对象。后续工作将需要确定火灾损害相对于临时安装位置和残留杂物的声学影响。根据2015年的测量结果创建并校准了巴黎圣母院的几何声学模型,并根据2013年4月24日的音乐会表演记录[31],制作了虚拟的音乐会重建模型[31],未来大教堂的声学研究工作可以使用此计算机模型,最近的测量结果和模拟来使模型适应建筑物的发展状态。正如最近的研究表明,数值模拟用于研究复杂和耦合的声学条件[24]以及感知生存力[32]的可靠性一样,这种几何声学分析工作在大教堂中可以认为是可靠的。最初的工作将集中在2020年的火后状态,以归因于各种变化的声学影响。这些结果将提供给重建团队,然后可以将该模型进一步用于评估项目期间建筑重建建议的声学影响。声学模型可用于研究重建过程中可能的演化,其自850年前建造以来,还可用于探索巴黎圣母院的声学演化。几个世纪以来,大教堂的许多元素发生了变化,从法国大革命期间发生的各种建筑翻新和破坏到用于不同活动的各种装饰,无论是宗教的政治,政治以及整个季节,巴黎大教堂圣母院的音响效果在整个历史上都不是一成不变的,而是其环境和人类占领的不断发展的无形产物。结合历史研究成果,声学模型和相关的虚拟模拟可用于探索和体验这些先前的状态[33]。作者贡献:概念化,B.F.G.K.和A.W .;方法学,B.F.G.K.和A.W .; B.F.G.K.软件;验证,B.F.G.K。和A.W .;形式分析,B.F.G.K。和A.W.; B.F.G.K.调查和A.W .;资源,B.F.G.K.;数据策划,B.F.G.K .;写作-原始草案准备,B.F.G.K。和A.W.;写作-审查和编辑,B.F.G.K。和A.W .;可视化,B.F.G.K.和A.W .;监督,B.F.G.K .; B.F.G.K.项目管理;资金获取,B.F.G.K.所有作者均已阅读并同意该手稿的发行版本。资金来源:这项工作的部分资金来自“尚蒂尔圣母大学”,而CNRS跨领域和跨学科研究计划(MITI)也投入了资金。欧盟JPI文化遗产项目PHE提供了额外的支持,以探索建筑声学和音景的文化遗产。这项工作的2015年阶段部分由法国ECHO项目(授权号ANR-13-CULT-0004),echo-projet.limsi.fr和BiLi(授权号FUI-AAP14,www.bili-project)资助.org)。致谢:特别感谢巴黎圣母院的工作人员在测量过程中的协助和耐心。我们还要感谢MichèleCastellengo提供了1987年音乐实验室的原始数据录音,该录音是应文化部长的要求而进行的。感谢2015年测量期间Bart Postma,Julie Meyer和Jean-Marc Lyzwa(CNSM)的协助。特别感谢Tapio Lokki对SDM分析的讨论,以及FrédéricBilliet对Notre-Dame音乐史的贡献。最后,我们要感谢Escadrone在租用2020年测量中移动设备所需的机器人方面的帮助和指导。 参考文献可在原文中查看点击:查看更多分类文章 免费试用文档翻译免责声明:福昕翻译只充当翻译功能,此文内容及相关信息仅为传递更多信息之目的,仅代表作者个人观点,与本网站无关,版权归原始网站所有。仅供读者参考,并请自行核实相关内容。若需要浏览原文、下载参考文献等,请自行搜索文中提到的原文网站进行阅读。 来源于:MDPI
2020-12-25 18:30:44
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现在可以大规模生产原子级纳米线
东京都立大学 (a)TMC纳米线的图示(b)化学气相沉积。成分在氢气/氮气气氛中蒸发,使其沉积并自组装在基材上。经Ref。许可转载。1分:版权2020美国化学学会(ACS)东京城市大学的研究人员发现了一种使用化学气相沉积技术大规模制造过渡金属硫族化物自组装纳米线的方法。通过改变形成导线的基板,它们可以调整这些导线的排列方式,从原子薄板的对齐配置到成束的随机网络。这为在下一代工业电子产品中的工业部署铺平了道路,包括能量收集以及透明,高效,甚至灵活的设备。电子技术就是要使事物变得更小—例如,芯片上的较小功能意味着在相同的空间中拥有更多的计算能力和更高的效率,这对于满足由机器学习和人工智能提供动力的现代IT基础架构日益增长的繁重需求至关重要。随着设备的小型化,对复杂的接线也提出了相同的要求,这些接线将所有东西绑在一起。最终目标将是仅是一两个原子的粗细的导线。随着穿过它们的电子的行为越来越像它们生活在一维世界而不是3D世界中,这种纳米线将开始利用完全不同的物理学。实际上,科学家已经拥有诸如碳纳米管和过渡金属硫族化物(TMC),过渡金属和能够自组装成原子级纳米线的16族元素的混合物之类的材料。问题在于使它们足够长且足够大。大规模生产纳米线的一种方式将改变游戏规则。现在,由东京都市大学的Hong En Lim博士和Yasumitsu Miyata副教授领导的团队提出了一种以前所未有的大规模制造长过渡金属碲化物纳米线的方法。使用称为化学气相沉积的过程(CVD),他们发现可以根据用作模板的表面或基材以不同的排列方式组装TMC纳米线。示例如图2所示。在(a)中,生长在硅/二氧化硅衬底上的纳米线形成了随机的束网络;在(b)中,导线按照设定的方向按照下面的蓝宝石晶体的结构组装在蓝宝石衬底上。通过简单地改变它们的生长位置,团队现在可以访问以所需排列方式覆盖的厘米级晶圆,包括单层,双层和束状网络,所有这些都具有不同的应用。他们还发现,导线本身的结构是高度结晶且有序的,其性能(包括出色的导电性和类似一维的行为)与理论预测中的相符。 (a)在硅/二氧化硅晶片上生长的纳米线的扫描电子显微镜照片。(b)在晶体蓝宝石衬底上生长的纳米线的原子力显微镜图像。(c)对齐导线的扫描透射电子显微镜图像。(d)从末端看,单根TMC纳米线的扫描透射电子显微镜图像,并带有结构示意图。经Ref。许可转载。1个学分:美国化学学会(ACS)拥有大量的长且高度结晶的纳米线肯定可以帮助物理学家更深入地表征和研究这些奇异的结构。重要的是,这是朝着在透明灵活的电子设备,超高效设备和能量收集应用中看到原子细线的实际应用迈出的令人兴奋的一步。 (左)(a)图示了在基板上组装的不同形式的TMC。(b)纳米线单层,(c)纳米线双层和(d)3D束的透射电子显微镜图像的横截面的扫描透射电子显微镜图像。点击:查看更多物理学文章 其他分类文章 免责声明:福昕翻译只充当翻译功能,此文内容及相关信息仅为传递更多信息之目的,仅代表作者个人观点,与本网站无关,版权归原始网站所有。仅供读者参考,并请自行核实相关内容。若需要浏览原文、下载参考文献等,请自行搜索文中提到的原文网站进行阅读。来源于:phys
2020-12-26 18:05:51
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