SFF: Vil ha orden i kaoset

Fysikere og geologer har samlet kreftene i et internasjonalt banebrytende samarbeid. De har et felles mål for øye: Å finne ut hva som egentlig skjer rett under føttene dine. Det kan komme både oljeindustrien, bergverksindustrien og jordskjelvutsatte områder til gode.

Publisert

  Physics of Geological Processes

Målsetting: Å skape et senter som studerer geologiske prosessers fysikk i et samspill mellom forskere fra geologi og fysikk. Senteret vil etablere ny tverrfaglig innsikt, som føres raskt over til undervisning og anvendelser. Senteret har også som mål å utvikle et nytt mastergradsprogram som vil gi studentene bakgrunn i geologi, fysikk og datafag.

Deltakere: Institutt for fysikk, Institutt for geologi, Institutt for informatikk ved Universitetet i Oslo, samt gjesteforskere fra en rekke institusjoner i inn- og utland.

Årlig bevilgning fra Forskningsrådet: 14 millioner kroner.

Antall årsverk: Ca. 30

Kontaktperson: professor Jens Feder, tlf. 22 85 64 45, e-post [email protected]

Internett: http://www.fys.uio.no/pgp

I tidligere tider gikk geologene ut i naturen for å kartlegge og beskrive bergarter og andre geologiske systemer. I naturens kaos var det små muligheter for å oppnå en kvantitativ forståelse av de prosessene som i sin tid skapte, deformerte og forandret bergartene.

Det var den gang. I dag har «jordnære» geologer alliert seg med mer «generaliserende» fysikere, og gått fra å beskrive tilstanden av geologiske systemer til å følge utviklingen av geologiske prosesser. Ved å kombinere fysikerens innsikt i prosesser og mønsterdannelse i komplekse systemer med geologenes kunnskap om hvordan jorden ser ut og har sett ut i tidligere tider, er det duket for ny viten om jordskorpens mysterier.

Fundamental forståelse

I spissen for forskningssamarbeidet står professor i fysikk Jens Feder og professor i geologi Bjørn Jamtveit, henholdsvis leder og nestleder for senteret med navnet Physics of Geological Processes (Geologiske prosessers fysikk). Forskningen ved senteret skal omfatte prosesser som står bak jordskjelv, vulkaner og fjellkjededannelser, samt deformasjoner av jordskorpen, og transport av gasser og væsker som f.eks. olje i litosfæren (jordens ytterste lag). Det skal også forskes på prosesser som skjer nær kontaktflater mellom mineralkorn, og mineralkorn og fluider.

- Målet vårt er å få tilstrekkelig forståelse av geologiske prosesser til at vi kan beskrive dem kvantitativt. Da vil vi også kunne si noe om fremtidig utvikling i et geologisk system. Oppnår vi det, vil relevansen av forskningen vår øke kraftig på mange områder, sier Bjørn Jamtveit.

Mønster i kaoset

Naturen er full av mønstre som striper, prikker og bølger, ifølge forskerne.

- Jordskorpen er full av porer og sprekker som er fylt med væske. Vekselvirkningen mellom væskene og bergartene rundt dem har stor påvirkning på utviklingen av jordskorpen. Jordskjelv, vulkanutbrudd, dannelsen av mange typer malmforekomster og hvordan olje og gass beveger seg og oppfanges, er eksempler på geologiske prosesser som påvirkes.

Statistisk fysikk kan tallfeste det som skjer i jordskorpen, og forklare hvordan og hvorfor bergarter sprekker og hvordan væsker og gasser forflytter seg. For å beskrive tilsynelatende kaotiske prosesser eller strukturer i naturen, bruker forskerne ulike statistiske metoder, som for eksempel fraktalgeometri.

- Fraktalgeometrien kan blant annet brukes til å beskrive og modellere landskapsformer. Vi har stor tro på at det er mulig å finne dekkende modeller for en mengde naturlige fenomener og mønstre. Slike modeller må imidlertid testes gjennom laboratorieeksperimenter, sier Feder.

Om å forstå jordens maskineri

"Naturen er full av mønstre som striper, prikker og bølger, ifølge forskerne. (Foto: Samfoto)"
"Naturen er full av mønstre som striper, prikker og bølger, ifølge forskerne. (Foto: Samfoto)"

Fire komponenter er med i forskningen hele tiden: feltarbeid, datasimulering, teori og eksperimenter.

- Regnekraften vi har fått gjennom stadig raskere datamaskiner muliggjør simulering av stadig mer komplekse naturlige prosesser og mønstre. Det representerer et enormt fremskritt innen naturvitenskapelig forskning generelt, sier Jamtveit.

- Datasimulering og teori er to komponenter fysikerne tradisjonelt er sterke på. De kvantitative modellene er forenklede etterlikninger av det man ser i naturen. De innholder komponenter som representerer de viktigste delene av naturens maskineri, forklarer Jamtveit.

- Vi bruker teori til å finne ut hvordan ulike prosesser er koblet sammen, og til å se sammenhengen mellom det som skjer i naturen og det vi ser i datasimuleringer og på laboratoriet.

En av de store utfordringene på modelleringssiden er at jordens mantel strømmer som en væske, mens litosfæren (steinlaget) ytterst er sprøere og knekker opp. For å beskrive mantelens strømning bruker forskerne såkalt kontinumsmekanikk, en godt egnet metode til å beskrive strømning i væsker. I litosfæren får en imidlertid mange brudd som endrer seg over tid og er vanskelig å beskrive ved hjelp av kontinumsme kanikken.

- Å lage en god, enhetlig fysisk modell av hvordan litosfærens oppsprekking er koblet til mantelens strømning er en av de store utfordringene vi har. Derfor har vi også knyttet til oss professor i anvendt matematikk Hans Petter Langtangen, som er ekspert på kontinumsmekanikken, forteller Jamtveit.

Fokuserer på grunnforskningen

"Tverrsnitt av jorden med indre og ytre kjerne, mantel og skorpe. Fargene i mantelen avspeiler mantelens temperatur. Blå farger viser at mantelen er kaldere enn normalt ved et gitt dyp. Gule og røde farger representerer varm mantel. Å forstå sammenhengen mellom mantelstrømning og bevegelse av litosfæreplatene er en av geodynamikkens store utfordringer. (Illustrasjon: fra Michael Gurnis´ Sculpting the Earth from Inside Out, Scientific American, mars 2001, modifisert av Trond Torsvik, NGI)."
"Tverrsnitt av jorden med indre og ytre kjerne, mantel og skorpe. Fargene i mantelen avspeiler mantelens temperatur. Blå farger viser at mantelen er kaldere enn normalt ved et gitt dyp. Gule og røde farger representerer varm mantel. Å forstå sammenhengen mellom mantelstrømning og bevegelse av litosfæreplatene er en av geodynamikkens store utfordringer. (Illustrasjon: fra Michael Gurnis´ Sculpting the Earth from Inside Out, Scientific American, mars 2001, modifisert av Trond Torsvik, NGI)."

- Naturen henger sammen, den er ikke delt opp i båser, og det er viktig å se på hva som skjer på grensen av de forskjellige sfærene: biosfæren, geosfæren og atmosfæren, sier Jamtveit. - Derfor er forskning på tvers av de ulike fagdisiplinene helt naturlig innen naturvitenskap. Økt tverrfaglig forskning er en helt nødvendig trend. SFF-prosessen har hatt positive ringvirkninger ved at den har bidratt til dannelsen av flere tverrfaglige forskningsmiljøer i Norge.

- Vi har et overlapp av interesser, samtykker Feder. Interesse for naturvitenskap i sin helhet er en forutsetning for et godt tverrfaglig samarbeid. Alt vi gjør er veldig konkurransepreget, men ikke innad i gruppen. Vårt fokus vil alltid være på vitenskapelig kvalitet. Det gjør også samarbeidet lett, sier han, og presiserer samtidig at det er grunnforskningen som skal utgjøre kjernen i det arbeidet som skal drives ved senteret.

- Å dekke flere enn ett fagområde er krevende. Dristighet er viktig, og for å bli et fremragende senter må man tørre å feile, mener Feder. - Hvis vi om ti år fremdeles er et senter som er vurdert som fremragende, har vi også gjort ting med stor fallhøyde, men som det har vært viktig å finne ut av.

Dårlig formidling verst

- Vi vil også legge stor vekt på formidling av forskningen vår, det ser vi på som nødvendig, sier Feder. Forskerne har allerede begynt å legge planer for hvordan de skal jobbe med formidlingsdelen. Blant annet skal et av gruppens medlemmer ha formidling som spesialoppgave.

- Satsing på formidling må gjøres riktig og skikkelig, samtykker Jamtveit. - Dårlig formidling er nesten verre enn ingen formidling. Formidlingen er viktig både for å forbedre rekrutteringen til realfag og for å bedre naturfagenes status.

"Nestleder Bjørn Jamtveit (t.v.) og senterleder Jens Feder (Foto: Anita. K.L. Thorolvsen)"
"Nestleder Bjørn Jamtveit (t.v.) og senterleder Jens Feder (Foto: Anita. K.L. Thorolvsen)"

- Jeg tror naturvitenskapsfolk i dag er mindre ute på banen i samfunnet enn tidligere. Vi må bli mer utadvendte, vi kan ikke bare sitte og furte uten å rettferdiggjøre ressursbruken vår, avslutter han.

(Artikkelen er hentet fra en spesialutgave av bladet Forskning om SFF)