قد تتوقع أن تأتي مثل هذه الحكاية المثيرة من أحد المستكشفين، لكن الدكتور رايمر عالم رياضيات ومحاضر في جامعة يوتا، فضلاً عن كونه جزءًا من مجتمع استبدل الفصول الدراسية المريحة ببعض من أكثر البرية قسوة على وجه الأرض ، في محاولة لاستخدام الأرقام لفهم ظاهرة الاحتباس الحراري.
تمكّنهم مغامراتهم من مراقبة العمليات التي تقود التغيير في المناطق القطبية بشكل مباشر والتحقق من صحة نظرياتهم الرياضية حول الجليد البحري ودوره كعنصر حاسم في النظام المناخي للأرض.
مشكلة معقدة
لقد انخفض سمك ومدى الجليد البحري في القطب الشمالي بسرعة منذ أخذ قياسات الأقمار الصناعية لأول مرة 1979.
الجليد البحري هو ثلاجة الأرض، حيث يعكس ضوء الشمس إلى الفضاء. إن وجودها الدائم مهم لمستقبل كوكبنا لأنه مع ذوبان المزيد من الجليد، ينكشف المزيد من المياه المظلمة التي تمتص المزيد من أشعة الشمس. يقوم هذا الماء الذي تسخنه الشمس بإذابة المزيد من الجليد في دورة ذاتية التعزيز تسمى بياض الجليد ردود الفعل.
في حين أن تراجع الجليد البحري ربما يكون واحدًا من أبرز التغيرات واسعة النطاق المرتبطة بارتفاع درجة حرارة الكوكب على سطح الأرض، فإن تحليل ونمذجة والتنبؤ بسلوكه واستجابة النظام القطبي الذي يدعمه أمر صعب للغاية، لكن علماء الرياضيات يمكنهم المساعدة.
قام كينيث جولدن، أستاذ الرياضيات المتميز والأستاذ المساعد في الهندسة الطبية الحيوية بجامعة يوتا، ببناء برنامج فريد للجليد البحري على مدار 30 عامًا. وقد اجتذب مزيجها من أبحاث الرياضيات، ونمذجة المناخ، والبعثات الميدانية المثيرة، الطلاب وباحثي ما بعد الدكتوراه، بما في ذلك الدكتور رايمر، الذين يركزون على استخدام هذا النوع من العلوم للمساعدة في مواجهة التحديات الملحة للمناخ سريع التغير.
التخصيم في الحيوانات
وقد درس الدكتور رايمر كيفية استجابة الدببة القطبية والفقمات للتغيرات في بيئتها المتجمدة. وبينما استخدمت نماذج رياضية لفهم التفاعلات بين هذه المخلوقات وموائلها، فقد أخذت أيضًا قياسات وعينات من الدببة في القطب الشمالي، وهو أمر لم تتوقع أبدًا أن تفعله كعالمة رياضيات. «إنهم لا ينامون تمامًا عندما يكونون مهدئين؛ تشرح: "إنهم مترنحون". "لقد أخافني أحدهم لأنه بدا وكأنه قد يستيقظ في وقت ما."
يأخذ الدكتور رايمر قياسات من دب قطبي مخدر في القطب الشمالي.
إن تقلص موطنها يعني أن الدببة القطبية تمشي على الجليد الرقيق، ولكن من المأمول أن تساعد دراسات مثل دراسة الدكتور رايمر الخبراء على فهم كيفية حماية الحيوانات المفترسة المهيبة.
ومع ذلك، فإن العالم المجهري "المذهل" للبكتيريا والطحالب التي تعيش في جيوب المياه المالحة داخل الجليد البحري هو ما يثير اهتمامها الآن. يتأثر هذا المجتمع البيولوجي وموائله بالتغيرات في درجات الحرارة والملوحة والضوء، مما يجعل من الصعب وضع نماذج دقيقة له. وفي عملها الحالي، تقوم الدكتورة رايمر ببناء نماذج لفهم كيفية تفاعل هذه العوامل لتحديد النشاط البيولوجي داخل الجليد. وتشرح قائلة: "إن فهم كيفية مساهمة العمليات التي تتم على هذه النطاقات الصغيرة في أنماط المستوى الكلي أمر بالغ الأهمية لنمذجة تأثير ارتفاع درجة حرارة المناخ على البيئة البحرية القطبية".
طحن الأرقام على الجليد المالح
إن التحدي المتمثل في فهم كيفية تأثير البنية المجهرية للجليد البحري على سلوك مساحات هائلة من الجليد هو ما يثير اهتمام البروفيسور جولدن. لقد زار المناطق القطبية للأرض 18 مرة، متحديًا الرياح الغربية المعروفة باسم "الأربعينات الهادرة" للوصول إلى القارة القطبية الجنوبية عن طريق السفن، وتجنب الغرق في المياه الجليدية أثناء قياس الجليد البحري. يقول: "في إحدى المرات، زارني حوت ضخم على بعد حوالي ثمانية أقدام، وكان من الممكن أن يكسر بسهولة الطوفان الرقيق الذي كنت أقف عليه بنقرة بسيطة من ذيله".
يدرس البروفيسور جولدن البنية المجهرية للجليد البحري لحساب مدى سهولة تدفق السوائل عبره. "الجليد البحري مالح. ويقول: "إنه يحتوي على بنية مجهرية مسامية من شوائب محلول ملحي تختلف تمامًا عن جليد المياه العذبة".
قاد البروفيسور جولدن فرقًا متعددة التخصصات للتنبؤ بدرجة الحرارة الحرجة التي تترابط عندها الشوائب الملحية بحيث يمكن للسائل أن يتدفق عبر الجليد البحري، ولتطوير أول تقنية للتصوير المقطعي بالأشعة السينية لتحليل كيفية تطور هندسة الشوائب مع درجة الحرارة. ويوضح قائلاً: "إن فهم كيفية تسرب مياه البحر عبر الجليد البحري هو أحد المفاتيح لتفسير كيفية حدوث تغير المناخ في البيئة البحرية القطبية".
وقد ساعد اكتشاف "مفتاح التشغيل والإيقاف" العلماء على فهم عمليات أفضل، مثل كيفية تجديد العناصر الغذائية التي تغذي مجتمعات الطحالب التي تعيش في المياه المالحة.
تُظهر دراسات البروفيسور جولدن مدى سهولة تدفق السوائل عبر الجليد البحري، الذي يحتوي على بنية مجهرية مسامية من شوائب المحلول الملحي (في الصورة). تقرير WF Weeks وA. Assur، CRREL (مختبر أبحاث وهندسة المناطق الباردة التابع للجيش الأمريكي) رقم 269، 1969
يؤثر المحلول الملحي الموجود في الجليد البحري أيضًا على توقيعه الراداري، مما يؤثر على قياسات الأقمار الصناعية لمعلمات مثل سمك الجليد المستخدم للتحقق من صحة النماذج المناخية. هذه النماذج مهمة لأنها تتنبأ بالتغيرات المستقبلية في مناخنا ويستخدمها قادة العالم والعلماء للتوصل إلى استراتيجيات التخفيف.
القادمة من البرد
يمثل تنوع الجليد تحديًا، لكن التنوع بين الباحثين والمعلمين والطلاب يخلق بيئة مثالية للأفكار الجديدة. في الولايات المتحدة، تم منح ربع درجات الدكتوراه في الرياضيات وعلوم الكمبيوتر للنساء في عام 2015، ولكن برامج مثل برنامج جامعة يوتا ACCESS يقوم البرنامج برعاية عالمات الرياضيات الموهوبات من خلال مساعدتهن على فتح الفرص مثل التوجيه والبحث العملي. لا تمنح الرحلات الاستكشافية إلى القطب الشمالي للطلاب خبرة عالية فحسب، بل تضمن مشاركة علماء الرياضيات في الأبحاث والحلول المتطورة، جنبًا إلى جنب مع علماء المناخ والمهندسين.
عندما لا يكونون في مواجهة العواصف الثلجية، يعمل الدكتور رايمر والبروفيسور جولدن في مشاريع تعاونية متعددة التخصصات ويشاركون في توجيه الطالبات الجامعيات كجزء من برنامج ACCESS. بعد تحديث عنصر الرياضيات في عام 2018 ليشمل تغير المناخ، شهد البروفيسور غولدن ثلاثة أضعاف تقريبًا عدد طلاب برنامج ACCESS المهتمين بدراسة تخصص في الرياضيات أو التدريب على البحث مقارنة بالماضي.
تقول ريبيكا هاردنبروك، وهي واحدة من طلاب الدكتوراه في البروفيسور غولدن: "إن التركيز على القضايا الملحة مثل تغير المناخ يجذب المزيد من الأشخاص الذين نريدهم إلى الرياضيات، وهم الجميع، ولكن على وجه الخصوص، النساء، والأشخاص الملونين، والأشخاص المثليين؛ أي شخص من خلفية ممثلة تمثيلا ناقصا.
تجميع الموارد
انضمت هاردنبروك إلى برنامج ACCESS قبل عامها الأول كطالبة جامعية، حيث أمضت الصيف في مختبر للفيزياء الفلكية، مما فتح عينيها على إمكانية إجراء الأبحاث. تقول: "لقد كان الأمر بمثابة تغيير حقيقي في حياتها"، لأسباب ليس أقلها أنها قررت متابعة درجة الدكتوراه في الرياضيات مع البروفيسور جولدن بعد دراسة النقل الحراري عبر الجليد البحري عندما كانت طالبة جامعية.
تقوم ريبيكا هاردنبروك بتدريس الرياضيات للطلاب في جامعة يوتا في سولت ليك سيتي.
وهي الآن تلهم الطلاب الأصغر سنًا في برنامج ACCESS كمساعد تدريس، بالإضافة إلى تصميم أحواض الذوبان، وهي عبارة عن برك من المياه على الجليد البحري في القطب الشمالي. وتلعب هذه البرك دورا حاسما في تحديد معدلات ذوبان الغطاء الجليدي البحري في القطب الشمالي على المدى الطويل من خلال امتصاص الإشعاع الشمسي بدلا من عكسه. عندما تنمو وتتحد معًا، فإنها تمر بمرحلة انتقالية في الهندسة الكسورية، مما يؤدي بشكل فعال إلى إنشاء نمط لا نهاية له يمكن لعلماء الرياضيات أن يصمموه.
يعتمد هاردنبروك على عقد من العمل على أحواض الصهر الذي قام به البروفيسور غولدن والطلاب والباحثون السابقون في الجامعة من خلال تكييف نموذج إيسينغ الكلاسيكي، الذي تم تطويره منذ أكثر من قرن من الزمان ويشرح كيف يمكن للمواد أن تكتسب أو تفقد المغناطيسية، لنموذج الذوبان. هندسة البركة. تشرح قائلة: "آمل أن أجعل نموذج الجليد البحري أكثر دقة من الناحية الفيزيائية بحيث يمكن إدراجه في نماذج المناخ العالمية لإنشاء نهج أكثر دقة لمعالجة البرك الذائبة، والتي لها تأثير مفاجئ على بياض القطب الشمالي".
إضافة إلى الصورة الكبيرة
لقد نجح علماء الرياضيات بالفعل في حل لغز كيفية تحديد عرض منطقة الجليد البحري الهامشية المتموجة، والتي تمتد من النواة الداخلية الكثيفة لحزم الجليد إلى الأطراف الخارجية، حيث يمكن للأمواج كسر الجليد العائم.
استوحى كورت سترونج، عالم الغلاف الجوي وأحد زملاء البروفيسور جولدن في جامعة يوتا، الإلهام من مصدر غير عادي: القشرة الدماغية لدماغ الجرذ. لقد أدرك أنه يمكنهم استخدام نفس الطريقة الرياضية لقياس عرض منطقة الجليد الهامشية كما يفعلون لقياس سمك دماغ القوارض الوعر، والذي يحتوي أيضًا على الكثير من الاختلافات. وبمساعدة هذا النموذج المبسط، تمكن الفريق من إثبات أن منطقة الجليد الهامشية قد اتسعت بحوالي 40% مع ارتفاع درجة حرارة مناخنا.
يعمل برنامج ACCESS التابع لجامعة يوتا، بما في ذلك الأبحاث العملية، على غمر الطلاب في بيئة متعددة التخصصات حيث تكون الرياضيات جزءًا من صورة أكبر. إنه يشجع التلقيح المتبادل، حيث يمكن استخدام الأساليب والأفكار من مجالات العلوم التي تبدو غير ذات صلة لحل المشكلات عندما تكون الرياضيات الأساسية هي نفسها بشكل أساسي.
يقول البروفيسور جولدن: "عندما يواجهك موقف غير عادي، فأنت بحاجة إلى أنواع مختلفة من العقول للنظر إلى المشكلة بوضوح والتوصل إلى حلول".
لقد حدث فقدان الجليد البحري الذي شوهد في القطب الشمالي على مدى بضعة عقود فقط، ويستمر بوتيرة مثيرة للقلق.
ويقول: "نحن بحاجة إلى كل العقول الجيدة وطرق التفكير المختلفة التي يمكننا الحصول عليها، ونحتاج إليها بسرعة".
تمت مراجعة هذه المقالة لصالح جامعة يوتا والمؤسسة الوطنية للعلوم ومكتب الأبحاث البحرية بواسطة إلفيس باهاتي أورليندو، المؤسسة الدولية للعلوم، ستوكهولم والدكتورة ماجدالينا ستويفا، FIOMP، FIUPESM.
