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Simulation 2D capturant le cycle énergétique des océans

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Simulation 2D capturant le cycle énergétique des océans

&balle; La physique 17, 77

Un nouveau modèle fournit une description améliorée du flux d’énergie cinétique des océans en incluant la friction avec les côtes.

Dans les simulations 2D, les courants océaniques sont entraînés par les vents dominants et fortement influencés par les forces de Coriolis. Si la viscosité est faible, l’énergie cinétique du fluide augmente infiniment (à gauche). Avec une condition de non-glissement aux frontières, la dissipation d’énergie est plus réaliste (à droite).

Un fluide s’écoulant en deux dimensions dans un bassin carré est une mauvaise imitation de l’Atlantique Nord, mais cette configuration peut capturer des aspects importants de l’écoulement turbulent de l’océan, selon de nouvelles simulations. [1]. Les chercheurs ont découvert que leur modèle est capable de prendre en compte la dissipation de l’énergie océanique (la conversion de l’énergie cinétique en chaleur), ce qui n’était pas possible dans les simulations 2D précédentes sans ajouter… publicité Coutume Hypothèses. Selon le modèle, la friction entre l’océan et les côtes continentales génère des tourbillons capables de dissiper une grande quantité d’énergie. Les résultats suggèrent que ce modèle simple pourrait fournir plus d’informations sur le cycle énergétique de l’océan que ce que les chercheurs espéraient auparavant.

Les simulations océaniques 2D ne peuvent pas fournir des informations aussi détaillées que celles trouvées dans les simulations 3D, mais elles peuvent fournir des informations générales accessibles à de nombreux chercheurs. Les simulations conventionnelles de bassins océaniques en 2D incluent les effets des vents dominants et de la rotation de la Terre (force de Coriolis), qui déterminent ensemble le modèle de circulation à grande échelle observé dans l’Atlantique Nord et dans d’autres régions océaniques. Mais il y a un problème avec ces simulations : lorsque la viscosité est fixée à une faible valeur – proche de sa valeur proche de zéro dans l’environnement réel – l’énergie cinétique du fluide augmente à l’infini. Pour éviter cette fuite d’énergie, les chercheurs ajoutent un terme de dissipation aux équations pour tenir compte des effets 3D, tels que le frottement avec le fond océanique.

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L’océan dans une boîte. Les simulations ont utilisé l’approximation du niveau bêta, où la surface courbe de la Terre est supposée plate et subit une force de Coriolis qui croît linéairement avec la latitude. Le vent dominant imposé est représenté par le paramètre τ et a une valeur maximale vers l’est en haut du plan et une valeur maximale vers l’ouest en bas. La carte montre des données d’observation sur les lignes aérodynamiques (lignes) et le tourbillon (couleurs) de Programme Copernic.

Des travaux antérieurs ont suggéré une autre façon de produire une dissipation significative : imposer une condition de « sans glissement » à la limite du fluide, créant essentiellement une friction entre le fluide et la paroi. [2]. En appliquant cette idée au contexte océanique, Antoine Vinell de l’École Normale Supérieure de Lyon, France, et ses collègues ont inclus l’état de non-glissement dans des simulations haute résolution, révélant un système hautement désordonné qui élimine le besoin d’une dissipation supplémentaire. terme. L’équipe prévoit désormais d’explorer les propriétés du système turbulent et d’identifier les aspects de l’océan qui peuvent être étudiés à l’aide de leur modèle simple.

-David Ehrenstein

David Ehrenstein est rédacteur en chef de Journal de physique.

Les références

  1. L.Miller et coll.« Turbulence de tourbillon : dissipation anormale dans un modèle océanique 2D » Phys. Rév. fluide 9L051801 (2024).
  2. R. Nguyen Van Yen et coll.« Structures de dissipation d’énergie produites par les murs dans des écoulements bidimensionnels à viscosité nulle. » Phys. Rév. Lit. 106184502 (2011).

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Trous noirs : pourquoi les étudie-t-on ? Qu’est-ce qui le rend si génial ?

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Trous noirs : pourquoi les étudie-t-on ?  Qu’est-ce qui le rend si génial ?

Au cours des derniers mois, L’univers aujourd’hui Explorez un grand nombre de domaines scientifiques, parmi lesquels les cratères d’impact, les surfaces planétaires, les exoplanètes, l’astrobiologie, l’héliophysique, les comètes, les atmosphères planétaires, la géophysique planétaire, la cosmochimie, les météorites, la radioastronomie, l’extrémophysiologie, la chimie organique, et comment ces différentes disciplines aident les scientifiques et les le public comprend mieux notre place dans l’univers.

Nous discuterons ici du domaine fascinant et mystérieux des trous noirs avec Dr Gaurav Khanna, professeur au Département de physique de l’Université de Rhode Island, concernant l’importance de l’étude des trous noirs, les avantages et les défis, les aspects passionnants de l’étude des trous noirs et la manière de suivre les étudiants qui souhaitent étudier les trous noirs. Alors, pourquoi est-il important d’étudier les trous noirs ?

« La gravité est la force la plus ancienne connue dans la nature, mais la moins bien comprise », explique le Dr Khanna. L’univers aujourd’hui. « Pour les étudiants en gravité, les trous noirs sont parmi les choses les plus intéressantes à étudier car la gravité y est la force dominante – en fait, elle est infiniment puissante ! Il y a ensuite des raisons astrophysiques de s’intéresser aux trous noirs. Ils jouent un rôle important dans les galaxies ! , et peut-être même dans le comportement. » La grande échelle de l’univers et plus encore. L’autre chose à noter à propos des trous noirs est qu’ils sont très « simples », surtout lorsqu’on les compare aux étoiles et à d’autres objets astrophysiques. -appelé théorème « sans cheveux » qui stipule que les trous noirs peuvent être complètement décrits par… Avec seulement trois propriétés : leur masse, leur charge et leur spin. Cette simplicité les rend particulièrement attrayants pour l’étude et la recherche.

trous noirs On sait qu’ils présentent une gravité si forte que même la lumière ne peut s’en échapper, comme c’est le cas d’Albert Einstein. Théorie générale de la relativité On attribue souvent à 1915 la première proposition du concept de trous noirs, le concept d’un objet dont la taille et la gravité ne permettent pas à la lumière de s’échapper. Il a été proposé pour la première fois dans une lettre écrite par le philosophe et religieux anglais John Mitchell en novembre 1784. Dans cette lettre, Mitchell faisait référence à cela. Les objets étaient appelés « étoiles sombres » car on supposait que les étoiles d’un diamètre dépassant 500 fois le diamètre de notre Soleil conduiraient à la formation de ces objets. De plus, il a été suggéré que les ondes gravitationnelles affectant les corps célestes proches permettraient la détection de ces objets.

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Avance rapide vers la théorie de la relativité générale d’Einstein, qui prédisait également l’existence de trous noirs et d’ondes gravitationnelles, qui sont tous deux restés sous surveillance tout au long du 20e siècle.oui Siècle, qui comprend ce qu’on appelle « L’âge d’or de la relativité générale » Durant les années soixante et soixante-dix. Cela inclut le premier objet accepté par la communauté scientifique comme un trou noir, appelé Cygnus LIGO. Alors, compte tenu de la longue histoire combinée aux découvertes majeures qui n’ont eu lieu qu’au cours des dernières années, quels sont les avantages et les défis de l’étude des trous noirs ?

Le Dr Khanna dit L’univers aujourd’hui« Comme je l’ai mentionné plus haut, l’étude des trous noirs, qui est une conséquence de la théorie de la relativité d’Einstein, donne un aperçu de la nature de la gravité, de l’espace et du temps à des niveaux fondamentaux. En tant que physiciens, nous devons encore développer une compréhension complète de ces phénomènes. La nature quantique de la gravité et les trous noirs sont la clé pour résoudre ce mystère. » En termes de défis, je dirais que le plus évident est probablement que les trous noirs ne peuvent être observés qu’indirectement, contrairement aux étoiles, puisqu’ils n’émettent pas de rayonnement. seuls, il est difficile pour les astronomes de collecter des données sur eux et au mieux, nous pouvons les observer. Leur influence sur leur environnement (comme les gaz, les étoiles, etc.) et en déduire leurs propriétés et leur comportement. Sur le plan théorique, bien que ce soit En effet, il est vrai que les trous noirs sont très « simples » comparés aux étoiles, mais les mathématiques et la physique qui les décrivent sont assez avancées, et même les simulations informatiques impliquées sont difficiles et nécessitent une puissance de traitement et une mémoire énormes.

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S’il a fallu plus de 100 ans entre l’introduction par Einstein de sa théorie de la relativité générale en 1915 et la confirmation des ondes gravitationnelles en 2016, il n’a fallu que trois ans supplémentaires aux astronomes pour publier la première image directe d’un trou noir au centre d’un galaxie. Messi 87 galaxie. Et les résultats furent Publié dans Lettres de journaux astrophysiques Basé sur des observations prises en 2017 par le puissant Event Horizon Telescope (EHT). Alors que Messier 87 est situé à environ 53 millions d’années-lumière de la Terre, le trou noir supposé le plus proche, Gaia BH1, est situé à environ 1 560 années-lumière de la Terre. En 2022, des astronomes ont publié une image en direct de Sagittarius A*, le trou noir supermassif au centre de notre Voie lactée.

En outre, les scientifiques supposent que le nombre de trous noirs dans notre Voie lactée se compte en centaines de millions, bien qu’il n’y ait jusqu’à présent que quelques dizaines de trous noirs connus. Mais quels sont les aspects les plus passionnants des trous noirs que le Dr Khanna a étudiés au cours de sa carrière ?

Le Dr Khanna dit L’univers aujourd’hui« Je suppose que je mentionnerai probablement mes travaux récents sur la vitesse de rotation des trous noirs. J’essaie de « faire pousser les cheveux », mais j’échoue finalement. Le projet est intéressant car il semble suggérer une violation de la théorie du « pas de cheveux » que j’ai évoquée plus tôt, mais ce n’est finalement pas le cas. C’est donc provocateur, mais ensuite apaisant ! Surtout, nous utilisons désormais le contexte principal de cette recherche pour la développer Nouvelle signature observationnelleOu tester des trous noirs à rotation rapide, également appelés trous noirs quasi extrêmes. Ces trous noirs ont de nombreuses propriétés et aspects étranges et font l’objet de recherches actives.

Les trous noirs sont étudiés par des astronomes, des physiciens et des astrophysiciens, qui utilisent une combinaison de théorie et d’observations pour construire à quoi pourraient ressembler les trous noirs et, dans de rares cas, comme nous l’avons vu, en obtiennent des images directes. En termes de théorie, les chercheurs utilisent des calculs mathématiques et des modèles informatiques pour simuler à quoi pourraient ressembler les trous noirs, puis utilisent de puissants télescopes au sol comme l’EHT pour obtenir les quelques images directes des trous noirs. Il est important de noter que ces images directes ne capturent pas le trou noir lui-même, mais plutôt les gaz entourant le trou noir. Horizon des événementsOu la frontière informelle où la lumière ne peut pas s’échapper d’un trou noir. Mais quels conseils le Dr Khanna donnerait-il aux nouveaux étudiants qui souhaitent poursuivre l’étude des trous noirs ?

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Le Dr Khanna dit L’univers aujourd’hui« Je vais leur donner beaucoup d’encouragements ! Il y a tellement de choses à faire dans cet espace et tant de mystères à résoudre. Les nouvelles observations ouvriront de nombreuses nouvelles portes et de nouvelles voies de recherche. C’est l’un des meilleurs moments pour être un Noir. astrophysicien du trou !

« La seule chose que je peux dire et qui n’a probablement pas été autant soulignée ailleurs, c’est que l’informatique est un outil pour étudier les trous noirs », poursuit le Dr Khanna. « Pour l’essentiel, l’accent est mis sur l’apprentissage des mathématiques avancées. comme toile de fond pour des recherches sérieuses sur les trous noirs — et pour cause — qui intéressent toujours beaucoup tous ceux qui étudient la théorie de la relativité d’Einstein, qui est à la base de la physique des trous noirs. Ces dernières années, les simulations informatiques se sont développées rapidement et. on peut désormais faire des découvertes majeures sur des questions profondes à l’aide d’outils informatiques. La programmation informatique est un outil très prometteur pour développer la recherche dans ce domaine et dans bien d’autres encore.

Comment les trous noirs nous aideront-ils à mieux comprendre notre place dans l’univers dans les années et décennies à venir ? Seul le temps nous le dira, c’est pourquoi nous étudions !

Comme toujours, continuez à faire de la science et continuez à rechercher !

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La découverte de gènes pourrait conduire à un atome flexible et « désordonné »

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La découverte de gènes pourrait conduire à un atome flexible et « désordonné »



Les chercheurs ont identifié un gène largement présent dans les plantes comme principal transporteur d’une hormone qui affecte la taille du maïs.

Cette découverte fournit aux sélectionneurs de plantes un nouvel outil pour développer des variétés naines souhaitables qui peuvent améliorer la résilience et la rentabilité des cultures.

Une équipe de scientifiques a passé des années à déterminer les fonctions du gène ZmPILS6. Aujourd’hui, ils sont en mesure de le décrire comme un facteur important de la taille et de la structure des plantes, et comme un transporteur de l’hormone auxine qui aide à contrôler la croissance des racines souterraines et des pousses, ou tiges, au-dessus du sol.

Leurs conclusions sont publiées dans Actes de l’Académie nationale des sciences.

« La particularité de l’ère scientifique actuelle est que nous disposons de toutes ces données génétiques de haute qualité, que ce soit sur le maïs, sur les humains ou sur d’autres organismes, et que nous avons désormais pour tâche de découvrir ce que font réellement les gènes », explique Dior-Kelly. . est professeur adjoint de génétique, de développement et de biologie cellulaire à l’Iowa State University, qui a dirigé l’équipe de recherche.

Le groupe a utilisé le « criblage génétique inverse » (du gène au trait exprimé dans la plante), ainsi que d’autres techniques, pour retracer le rôle des gènes dans l’évolution du maïs. Les écrans inversés nécessitent plusieurs saisons de croissance et ne fonctionnent pas toujours, selon Kelly. Il a fallu sept ans à son équipe pour caractériser précisément ZmPILS6 et vérifier qu’il régule la croissance des plantes.

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Lorsque les plantes modifiées et transformées étaient « supprimées », leur absence supprimait la formation de racines latérales et la hauteur de la plante. La recherche a conduit à un brevet provisoire pour son utilisation potentielle dans des programmes de sélection visant à produire du maïs de petite taille encore très productif.

«Je pense que c’est comme un maïs lutin», dit Kelly. « Il suscite beaucoup d’intérêt pour plusieurs raisons, notamment sa faible consommation d’eau et de nutriments et sa capacité à résister aux vents violents. »

En étudiant ZmPILS6 dans le maïs, les chercheurs sont arrivés à une autre découverte étrange : le gène semblait avoir des effets opposés sur la croissance des plantes par rapport au gène identique du maïs. ArabidopsisC’est une plante qui sert souvent de modèle pour la recherche.

« C’était complètement inattendu », dit Kelly. « Cela montre que les protéines végétales, qui ont évolué dans des contextes différents, peuvent se comporter différemment. Cela souligne la nécessité d’étudier les gènes directement au sein des principales cultures d’intérêt, plutôt que de penser que nous les comprenons en fonction de leur fonctionnement dans d’autres plantes. »

Kelly décrit la nouvelle recherche comme une recherche fondamentale « fondamentale » pour comprendre le gène qui influence de nombreux traits de développement complexes, qui a été préservé par l’évolution de nombreuses plantes, des algues au maïs.

« C’est également « transformateur », dans la mesure où il est lié aux ressources génétiques qui peuvent être utilisées pour améliorer les programmes de sélection », dit-elle. «Cela ouvre des questions et des aspects de recherche complètement nouveaux pour mon laboratoire.»

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Co-auteurs supplémentaires de l’Iowa ; Université de Duke; et Université de Californie, Riverside.

L’Institut national de l’alimentation et de l’agriculture de l’USDA et le financement de démarrage de l’USDA du Collège d’agriculture et des sciences de la vie de l’Université d’État de l’Iowa ont financé les travaux.

source: Université d’État de l’Iowa

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Un nouveau modèle 3D montre comment les implants neuronaux soulagent la douleur chronique

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Un nouveau modèle 3D montre comment les implants neuronaux soulagent la douleur chronique

Modèle 3D développé par Université de Virginie occidentale Les neuroscientifiques montrent comment les stimulateurs implantables – du même type que ceux utilisés pour traiter la douleur chronique – peuvent cibler les neurones qui contrôlent des muscles spécifiques pour assurer la rééducation des personnes souffrant de troubles neurologiques tels qu’un accident vasculaire cérébral ou une lésion de la moelle épinière.

le StadeY compris le modèle, il a été publié dans la revue Nature Communications Biology.

Le dispositif, implanté sur ou à proximité de la moelle épinière, fonctionne en délivrant un signal électrique via un fil fin. Pour traiter la paralysie, la stimulation cible des parties spécifiques de la moelle épinière pour aider à restaurer la fonction musculaire et le mouvement. Cependant, l’efficacité du dispositif a été limitée par une compréhension insuffisante de l’emplacement des motoneurones qui se connectent à des muscles spécifiques dans la moelle épinière.

« Si nous voulons vraiment maximiser l’utilité de ces implants, nous voulons pouvoir sélectionner des motoneurones spécifiques qui activeront des muscles spécifiques et aideront à bouger de la bonne manière et au bon moment », a-t-il déclaré. Valéria Gritsenkoprofesseur agrégé à École de médecine WVUSections Performance humaine – Physiothérapie, Neurologie Et le Institut de neurosciences Rockefeller. « Les scientifiques veulent utiliser un modèle pour déterminer où implanter ce système. »

Dans le cadre de l’étude, Gritsenko a reçu une subvention de 600 000 $ sur trois ans du ministère américain de la Défense pour diriger une équipe visant à construire des modèles plus avancés du système neuromusculaire.

Grâce à d’autres études et tests, les chercheurs espèrent mieux comprendre dans quelle mesure ces appareils peuvent améliorer la fonction musculaire.

Pour mener l’étude, les chercheurs ont d’abord créé un modèle 3D de l’emplacement des motoneurones dans la moelle épinière d’un macaque – un singe de l’Ancien Monde – et l’ont comparé aux connaissances actuelles sur la moelle épinière humaine. Ils ont également créé des modèles 3D de l’anatomie musculo-squelettique d’un singe macaque et du membre supérieur droit d’un humain et ont comparé ces modèles.

« Nous avons étudié les différences et les changements dans la longueur des muscles dans différentes postures, à la fois chez le modèle humain et chez le singe », a-t-il déclaré. Rachel Taitano, doctorant en médecine et neurosciences de Fairfax, en Virginie, et auteur principal de l’étude. « Le modèle musculo-squelettique du singe montre que la biomécanique est similaire à celle des humains, même si l’espèce présente des différences dans les muscles qu’elle utilise, les muscles qu’elle possède et leurs différentes orientations et fonctions. »

L’étude montre une correspondance étroite dans la distribution ou la profondeur des groupes de motoneurones le long de la moelle épinière chez les macaques et les humains. Ces résultats permettront aux scientifiques d’obtenir une précision dans la fourniture du traitement.

« Certaines populations de motoneurones sont plus profondes dans la moelle épinière et d’autres sont plus proches de la surface », a expliqué Gritsenko. « Ce modèle nous permet d’examiner plus en profondeur l’endroit où les populations de motoneurones pourraient être les plus proches de la surface. C’est là que vous souhaitez stimuler l’activation de ces muscles. »

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« Connaître l’organisation vertébrale des assemblages de motoneurones – des groupes de cellules qui se connectent à un seul muscle – pourrait révéler quelque chose de fascinant », a expliqué Gritsenko, qui a été le chercheur principal. « Notre système musculo-squelettique complexe a évolué au fil du temps pour permettre une large gamme de résultats. de mouvements que nous voyons chez tous les « primates, y compris nous, les humains. L’équipe a découvert que nos moelles épinières contiennent des « cartes » intégrées qui reflètent cette fonction complexe. Cette « carte » aide à simplifier le contrôle de nos corps complexes via la moelle épinière.  » .

Un autre collègue sur le projet, Sergueï Yakovenkoprofesseur agrégé à la faculté de médecine de l’Université de Virginie-Occidentale, départements de performance humaine et de recherche. Exercice physiologiqueLe Département de Neurosciences et le RNI ont mené des études similaires sur l’anatomie de la moelle épinière chez les quadrupèdes. Les nouvelles découvertes montrent à quel point l’anatomie de la moelle épinière est conservée chez les animaux et à quel point elle reflète les actions musculaires.

Les résultats d’une étude scientifique appliquée qui peuvent être utilisés au bénéfice des patients en milieu clinique sont ce qui, selon Taitano, l’a attirée vers le projet.

« Je pense que nous pouvons obtenir beaucoup d’informations à partir d’études non chirurgicales », a déclaré Taitano, diplômé en génie biomédical. « Maintenant que nous pouvons appliquer ces résultats à l’échelle millimétrique et nanométrique, nous pouvons créer des dispositifs permettant d’appliquer ce que nous voyons dans un modèle comme celui-ci. »

Une fois le projet terminé, Taitano passera à la partie médecine de son programme cet été.

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« Les antécédents de Rachel ont été très utiles au succès de l’étude », a déclaré Gritsenko. « J’aimerais certainement voir davantage de ce type de collaboration interdisciplinaire avec des étudiants diplômés travaillant sur des projets avec des collègues des départements de médecine et d’ingénierie.

En plus de la subvention du ministère de la Défense, des scientifiques de deux autres universités ont exprimé leur intérêt pour l’utilisation du modèle pour explorer la manière d’améliorer la technologie catalytique, a déclaré Gritsenko. Elle prévoit également de collaborer avec un chercheur principal d’une autre université pour valider les résultats de l’étude sur des modèles animaux.

« Nous voulons faire un test de stimulation musculaire basé sur les prédictions du modèle et voir si nous obtenons les résultats escomptés », a-t-elle déclaré. « Nous pouvons essayer cela d’abord avec des singes, puis, si cela fonctionne, nous pouvons l’essayer chez l’homme pour vérifier davantage qu’il s’agit d’un bon modèle pour guider ces interventions chirurgicales. »

référence: Taitano RI, Yakovenko S, Gritsenko V. L’anatomie musculaire se reflète dans l’organisation spatiale des groupes de motoneurones spinaux. Commune Byul. 2024;7(1):1-11. est ce que je: 10.1038/s42003-023-05742-s

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