Comptant amb els matemàtics per ajudar a salvar el planeta

Sobre un banc de gel blanc brillant que flota a l'oceà Àrtic, un grup de persones amb abrics voluminosos s'adapten al fred intens, després d'haver estat deixats en helicòpter. "De sobte, em giro i hi ha un ós polar i comença a córrer cap a nosaltres", diu Jody Reimer, relatant un moment de pànic. "Afortunadament, l'helicòpter va tornar per espantar l'ós, però vaig tenir tremolors d'adrenalina durant la resta del dia", afegeix rient.

Comptant amb els matemàtics per ajudar a salvar el planeta

Podríeu esperar que una anècdota tan pica les ungles vingui d'un explorador, però el doctor Reimer és matemàtic i professor de la Universitat d'Utah, a més de formar part d'una comunitat que ha intercanviat aules acollidores per alguns dels deserts més inhòspits de la Terra. , en un intent d'utilitzar els números per entendre l'escalfament global.

Les seves aventures els permeten observar de primera mà els processos que impulsen el canvi a les regions polars i validar les seves teories matemàtiques del gel marí i el seu paper com a component crític en el sistema climàtic de la Terra.

El professor Golden, juntament amb altres científics i matemàtics de la Universitat d'Utah, prenen mostres de nucli de gel per mesurar la permeabilitat dels fluids a l'Antàrtida.

Un problema complex

El gruix i l'extensió del gel marí a l'Àrtic ha disminuït ràpidament des que es van prendre per primera vegada les mesures per satèl·lit. 1979.

El gel marí és la nevera de la Terra, que reflecteix la llum solar cap a l'espai. La seva presència duradora és important per al futur del nostre planeta perquè, a mesura que es fon més gel, s'exposa més aigua fosca que absorbeix més llum solar. Aquesta aigua escalfada pel sol fon més gel en un cicle que s'autoenforteix anomenat albedo de gel feedback.

Tot i que la disminució del gel marí és potser un dels canvis a gran escala més visibles relacionats amb l'escalfament planetari a la superfície de la Terra, analitzar, modelar i predir el seu comportament i la resposta del sistema polar que suporta és increïblement difícil, però els matemàtics poden ajudar.

Kenneth Golden, un distingit professor de matemàtiques i professor adjunt d'enginyeria biomèdica a la Universitat d'Utah, ha construït un programa de gel marí únic durant 30 anys. La seva combinació d'investigació matemàtica, modelització del clima i emocionants expedicions de camp ha atret estudiants i investigadors postdoctorals, inclòs el Dr. Reimer, que se centren en utilitzar aquest tipus de ciència per ajudar a afrontar els reptes urgents d'un clima que canvia ràpidament.

Factorització en animals

El doctor Reimer ha estudiat com els óssos polars i les foques responen als canvis en el seu entorn congelat. Tot i que va utilitzar models matemàtics per entendre les interaccions entre aquestes criatures i el seu hàbitat, també va prendre mesures i mostres dels óssos de l'Àrtic, cosa que mai esperava fer com a matemàtica. “No dormen del tot quan estan tranquil·litzats; estan aturdits”, explica. "Un d'ells em va espantar perquè semblava que podria despertar-se en algun moment".

El doctor Reimer pren mesures d'un ós polar sedat a l'Àrtic.

El seu hàbitat reduït significa que els óssos polars caminen sobre gel prim, però s'espera que estudis com el del doctor Reimer ajudin els experts a entendre com protegir els majestuosos depredadors.

Tanmateix, és el món microscòpic "al·lucinant" de bacteris i algues que viuen a les bosses d'aigua salada dins del gel marí el que ara l'emociona. Aquesta comunitat biològica i el seu hàbitat estan influenciats pels canvis de temperatura, salinitat i llum, cosa que dificulta la modelització amb precisió. En el seu treball actual, la Dra. Reimer construeix models per entendre com interactuen aquests factors per determinar l'activitat biològica dins del gel. "Entendre com els processos a aquestes petites escales contribueixen als patrons a nivell macro és fonamental per modelar l'impacte d'un clima escalfat en l'ecologia marina polar", explica.

Cruixent els números sobre gel salat

És el repte d'entendre com l'estructura microscòpica del gel marí afecta el comportament de les grans extensions de gel que interessa al professor Golden. Ha visitat les regions polars de la Terra 18 vegades, enfrontant-se als vents de l'oest coneguts com els "Quarenta rugents" per arribar a l'Antàrtida amb vaixell i evitant per poc submergir-se en aigües gelades mentre mesurava el gel marí. "Una vegada em va visitar una balena massiva a uns vuit peus de distància, que podria haver trencat fàcilment el floque prim on estava amb un toc casual de la cua", diu.

Els matemàtics que duen a terme experiments a les regions polars poden experimentar la seva increïble vida salvatge, incloses les balenes.

El professor Golden estudia la microestructura del gel marí per calcular amb quina facilitat pot fluir el fluid a través d'ell. “El gel marí és salat. Té una microestructura porosa d'inclusions de salmorra que és molt diferent del gel d'aigua dolça", diu.

El professor Golden ha dirigit equips interdisciplinaris per predir la temperatura crítica a la qual es connecten les inclusions de salmorra perquè el fluid pugui fluir a través del gel marí i per desenvolupar la primera tècnica de tomografia de raigs X per analitzar com evoluciona la geometria de les inclusions amb la temperatura. "Entendre com l'aigua de mar es filtra a través del gel marí és una de les claus per interpretar com es produirà el canvi climàtic en el medi marí polar", explica.

Descobrir aquest "interruptor d'encesa i apagat" ha ajudat els científics a entendre millor processos com ara com es reposen els nutrients que alimenten les comunitats d'algues que viuen a les inclusions de salmorra.

Els estudis del professor Golden mostren amb quina facilitat el fluid pot fluir a través del gel marí, que té una microestructura porosa d'inclusions de salmorra (a la foto). WF Weeks i A. Assur, CRREL (US Army Cold Regions Research and Engineering Lab) Informe 269, 1969

La salmorra del gel marí també afecta la seva signatura de radar, que afecta les mesures per satèl·lit de paràmetres com el gruix del gel utilitzat per validar els models climàtics. Aquests models són importants perquè prediuen els canvis futurs del nostre clima i són utilitzats pels líders mundials i científics per elaborar estratègies de mitigació.

Entrant del fred

La varietat de gel presenta un repte, però la diversitat entre investigadors, professors i estudiants crea l'entorn perfecte per a idees noves. Als EUA, només una quarta part dels doctorats en matemàtiques i ciències de la computació es van concedir a dones el 2015, però programes com el de la Universitat d'Utah ACCÉS El programa està alimentant dones matemàtiques amb talent ajudant-les a desbloquejar oportunitats com ara la mentoria i la investigació pràctica. Les expedicions a l'Àrtic no només ofereixen als estudiants una experiència elevada, sinó que garanteixen que els matemàtics participin en investigacions i solucions d'avantguarda, juntament amb científics i enginyers del clima.

Quan no estan lluitant contra les tempestes de neu, el Dr. Reimer i el Prof. Golden treballen en projectes col·laboratius i interdisciplinaris i són comentores d'estudiants de grau com a part del programa ACCESS. Després d'actualitzar el component de matemàtiques el 2018 per incloure el canvi climàtic, el professor Golden ha vist aproximadament el triple del nombre d'estudiants d'ACCESS interessats a cursar una carrera de matemàtiques o de recerca que abans.

Rebecca Hardenbrook, que és una de les estudiants de doctorat del professor Golden, diu: “enfocar-se en qüestions urgents com el canvi climàtic atrau més gent que volem cap a les matemàtiques, que són tothom, però en particular, dones, persones de color, persones queer; qualsevol persona d'un entorn poc representat".

Agrupació de recursos

Hardenbrook es va incorporar al programa ACCESS abans del seu primer any com a estudiant de grau, passant l'estiu en un laboratori d'astrofísica, cosa que li va obrir els ulls a la possibilitat de fer investigació. "Va ser realment un canvi de vida", diu, sobretot perquè va decidir cursar un doctorat en matemàtiques amb el professor Golden després d'estudiar el transport tèrmic a través del gel marí com a estudiant.

Rebecca Hardenbrook ensenya matemàtiques a estudiants de la Universitat d'Utah a Salt Lake City.

Ara inspira els estudiants més joves en l'esquema ACCESS com a assistent docent, així com en el modelatge d'estanys de fusió, que són basses d'aigua al gel marí de l'Àrtic. Aquests estanys tenen un paper decisiu a l'hora de determinar les taxes de fusió a llarg termini de la coberta de gel marí de l'Àrtic absorbint la radiació solar en lloc de reflectir-la. A mesura que creixen i s'uneixen, experimenten una transició en la geometria fractal, creant efectivament un patró interminable que els matemàtics poden modelar.

Hardenbrook està basant-se en una dècada de treball sobre estanys de fusió del professor Golden i d'estudiants i investigadors anteriors de la universitat adaptant el model clàssic d'Ising, que es va desenvolupar fa més d'un segle i explica com els materials poden guanyar o perdre magnetisme, per modelar la fusió. geometria de l'estany. "Espero fer que el model del gel marí sigui més precís físicament perquè es pugui incorporar als models climàtics globals per crear un enfocament més precís per abordar els estanys de desglaç, que tenen un efecte sorprenent en l'albedo de l'Àrtic", explica.

Afegeix a la imatge gran

Els matemàtics ja han resolt l'enigma de com definir l'amplada de la zona de gel marí marginal ondulant, que s'estén des del dens nucli interior de la capa de gel fins a les franges exteriors, on les ones poden trencar el gel flotant.

Court Strong, que és un científic atmosfèric i un dels col·legues del professor Golden a la Universitat d'Utah, es va inspirar en una font inusual: l'escorça cerebral del cervell d'una rata. Es va adonar que podrien utilitzar el mateix mètode matemàtic per mesurar l'amplada de la zona de gel marginal que ho fan per mesurar el gruix del cervell accidentat del rosegador, que també té molta variació. Amb l'ajuda d'aquest model simplificat, l'equip va poder demostrar que la zona de gel marginal s'ha ampliat al voltant d'un 40% a mesura que el nostre clima s'ha escalfat.

L'esquema ACCESS de la Universitat d'Utah, inclosa la seva investigació pràctica, submergeix els estudiants en un entorn interdisciplinari on les matemàtiques formen part d'una imatge més gran. Fomenta la pol·linització creuada, on mètodes i idees d'àrees aparentment no relacionades de la ciència es poden utilitzar per resoldre problemes quan les matemàtiques subjacents són essencialment les mateixes.

"Quan se't presenta una situació inusual, necessites diferents tipus de ments per mirar un problema amb claredat i trobar solucions", diu el professor Golden.

La pèrdua de gel marí observada a l'Àrtic s'ha produït durant poques dècades i continua a un ritme alarmant.

"Necessitem tots els bons cervells i diferents maneres de pensar que podem obtenir, i els necessitem ràpidament", diu.

Aquest article ha estat revisat per a la Universitat d'Utah, la National Science Foundation i l'Oficina d'Investigació Naval per Elvis Bahati Orlendo, International Foundation for Science, Estocolm i la doctora Magdalena Stoeva, FIOMP, FIUPESM.

VEURE TOTS ELS ARTICLES RELACIONATS

Anar al contingut