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Zählen Sie auf Mathematiker, um den Planeten zu retten

Auf einer strahlend weißen Eisscholle, die im Arktischen Ozean schwimmt, gewöhnt sich eine Gruppe von Menschen in dicken Mänteln an die beißende Kälte, nachdem sie mit einem Hubschrauber abgesetzt wurden. „Plötzlich drehe ich mich um und da ist ein Eisbär, der auf uns zuläuft“, erzählt Jody Reimer von einem Moment der Panik. „Glücklicherweise flog der Hubschrauber zurück, um den Bären zu verscheuchen, aber ich hatte den Rest des Tages einen Adrenalinschub“, fügt sie lachend hinzu.

Man könnte erwarten, dass solch eine spannende Anekdote von einem Entdecker kommt, aber Dr. Reimer ist Mathematiker und Dozent an der University of Utah und Teil einer Gemeinschaft, die gemütliche Klassenzimmer gegen einige der unwirtlichsten Wildnisgebiete der Erde eingetauscht hat , um anhand von Zahlen die globale Erwärmung zu verstehen.

Ihre Abenteuer ermöglichen es ihnen, die Prozesse, die den Wandel in den Polarregionen vorantreiben, aus erster Hand zu beobachten und ihre mathematischen Theorien zum Meereis und seiner Rolle als entscheidender Komponente im Klimasystem der Erde zu validieren.

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Professor Golden entnimmt zusammen mit anderen Wissenschaftlern und Mathematikern der University of Utah Eiskernproben, um die Flüssigkeitsdurchlässigkeit in der Antarktis zu messen.

Ein komplexes Problem

Die Dicke und Ausdehnung des Meereises in der Arktis ist seit den ersten Satellitenmessungen schnell zurückgegangen 1979.

Meereis ist der Kühlschrank der Erde und reflektiert das Sonnenlicht zurück in den Weltraum. Seine dauerhafte Präsenz ist wichtig für die Zukunft unseres Planeten, denn je mehr Eis schmilzt, desto mehr dunkles Wasser wird freigelegt, das mehr Sonnenlicht absorbiert. Dieses von der Sonne erwärmte Wasser schmilzt in einem sich selbst verstärkenden Kreislauf, der Eisalbedo genannt wird, mehr Eis Feedback.

Während der Rückgang des Meereises möglicherweise eine der sichtbarsten großräumigen Veränderungen im Zusammenhang mit der Erwärmung des Planeten auf der Erdoberfläche ist, ist die Analyse, Modellierung und Vorhersage seines Verhaltens und der Reaktion des von ihm unterstützten Polarsystems unglaublich schwierig, aber Mathematiker können helfen.

Kenneth Golden, ein angesehener Mathematikprofessor und außerordentlicher Professor für Biomedizintechnik an der University of Utah, hat über 30 Jahre lang ein einzigartiges Meereisprogramm aufgebaut. Die Kombination aus mathematischer Forschung, Klimamodellierung und spannenden Feldexpeditionen hat Studenten und Postdoktoranden angezogen, darunter Dr. Reimer, die sich darauf konzentrieren, diese Art von Wissenschaft zu nutzen, um die dringenden Herausforderungen eines sich schnell verändernden Klimas zu bewältigen.

Berücksichtigung von Tieren

Dr. Reimer hat untersucht, wie Eisbären und Robben auf Veränderungen in ihrer gefrorenen Umgebung reagieren. Während sie mathematische Modelle nutzte, um die Wechselwirkungen zwischen diesen Lebewesen und ihrem Lebensraum zu verstehen, nahm sie auch Messungen und Proben von Bären in der Arktis vor, was sie als Mathematikerin nie erwartet hätte. „Sie schlafen nicht vollständig, wenn sie beruhigt werden; Sie sind benommen“, erklärt sie. „Einer von ihnen hat mich erschreckt, weil es schien, als könnte er irgendwann aufwachen.“

Dr. Reimer nimmt Messungen an einem sedierten Eisbären in der Arktis vor.

Ihr schrumpfender Lebensraum bedeutet, dass Eisbären auf dünnem Eis laufen, aber es besteht die Hoffnung, dass Studien wie die von Dr. Reimer den Experten helfen werden, zu verstehen, wie die majestätischen Raubtiere geschützt werden können.

Doch es ist die „überwältigende“ mikroskopische Welt der Bakterien und Algen, die in Salzwassertaschen im Meereis leben, die sie jetzt fasziniert. Diese biologische Gemeinschaft und ihr Lebensraum werden durch Veränderungen der Temperatur, des Salzgehalts und des Lichts beeinflusst, was eine genaue Modellierung erschwert. In ihrer aktuellen Arbeit konstruiert Dr. Reimer Modelle, um zu verstehen, wie diese Faktoren interagieren, um die biologische Aktivität im Eis zu bestimmen. „Zu verstehen, wie Prozesse auf diesen kleinen Skalen zu Mustern auf Makroebene beitragen, ist entscheidend für die Modellierung der Auswirkungen eines sich erwärmenden Klimas auf die polare Meeresökologie“, erklärt sie.

Auf salzigem Eis die Zahlen knacken

Es ist die Herausforderung zu verstehen, wie sich die mikroskopische Struktur des Meereises auf das Verhalten riesiger Eisflächen auswirkt, die Prof. Golden interessiert. Er hat die Polarregionen der Erde 18 Mal besucht, wobei er den Westwinden, den „Roaring Forties“, getrotzt hat, um mit dem Schiff die Antarktis zu erreichen, und bei der Messung des Meereises nur knapp dem Eintauchen in eisige Gewässer entgangen ist. „Einmal wurde ich von einem riesigen Wal in etwa zweieinhalb Metern Entfernung besucht, der die dünne Scholle, auf der ich mich befand, leicht mit einer beiläufigen Schwanzbewegung hätte zerbrechen können“, sagt er.

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Mathematiker, die Experimente in den Polarregionen durchführen, können die beeindruckende Tierwelt, darunter auch Wale, erleben.

Prof. Golden untersucht die Mikrostruktur von Meereis, um zu berechnen, wie leicht Flüssigkeit durch das Eis fließen kann. „Meereis ist salzig. Es hat eine poröse Mikrostruktur aus Soleeinschlüssen, die sich stark von Süßwassereis unterscheidet“, sagt er.

Prof. Golden hat interdisziplinäre Teams angeführt, um die kritische Temperatur vorherzusagen, bei der sich die Soleeinschlüsse verbinden, sodass Flüssigkeit durch Meereis fließen kann, und um die erste Röntgentomographietechnik zu entwickeln, um zu analysieren, wie sich die Geometrie der Einschlüsse mit der Temperatur entwickelt. „Zu verstehen, wie Meerwasser durch Meereis sickert, ist einer der Schlüssel zur Interpretation, wie sich der Klimawandel auf die polare Meeresumwelt auswirken wird“, erklärt er.

Die Entdeckung dieses „Ein-Aus-Schalters“ hat Wissenschaftlern dabei geholfen, Prozesse besser zu verstehen, beispielsweise wie Nährstoffe, die die in den Soleeinschlüssen lebenden Algengemeinschaften ernähren, wieder aufgefüllt werden.

Studien von Professor Golden zeigen, wie leicht Flüssigkeit durch Meereis fließen kann, das eine poröse Mikrostruktur aus Soleeinschlüssen aufweist (im Bild). WF Weeks und A. Assur, CRREL (US Army Cold Regions Research and Engineering Lab), Bericht 269, 1969

Die Sole im Meereis beeinflusst auch seine Radarsignatur, was sich auf Satellitenmessungen von Parametern wie der Eisdicke auswirkt, die zur Validierung von Klimamodellen verwendet werden. Diese Modelle sind wichtig, weil sie zukünftige Veränderungen unseres Klimas vorhersagen und von führenden Politikern und Wissenschaftlern aus der ganzen Welt genutzt werden, um Abhilfestrategien zu entwickeln.

Aus der Kälte hereinkommen

Die Vielfalt des Eises stellt eine Herausforderung dar, aber die Vielfalt unter Forschern, Lehrern und Schülern schafft die perfekte Umgebung für neue Ideen. In den USA wurde 2015 nur ein Viertel der Doktorgrade in Mathematik und Informatik an Frauen verliehen, aber Programme wie das der University of Utah ACCESS Das Programm fördert talentierte Mathematikerinnen, indem es ihnen hilft, Möglichkeiten wie Mentoring und praktische Forschung zu nutzen. Expeditionen in die Arktis bieten den Schülern nicht nur eine gehobene Erfahrung, sondern stellen auch sicher, dass neben Klimawissenschaftlern und Ingenieuren auch Mathematiker an Spitzenforschung und -lösungen beteiligt sind.

Wenn sie nicht gerade gegen Schneestürme kämpfen, arbeiten Dr. Reimer und Prof. Golden an gemeinsamen, interdisziplinären Projekten und betreuen Studentinnen im Rahmen des ACCESS-Programms. Nach der Aktualisierung der Mathematikkomponente im Jahr 2018, um den Klimawandel einzubeziehen, konnte Prof. Golden feststellen, dass sich die Zahl der ACCESS-Studenten, die an einem Mathematik-Hauptfach oder einem Forschungspraktikum interessiert sind, etwa verdreifacht hat als zuvor.

Rebecca Hardenbrook, eine der Doktorandinnen von Professor Golden, sagt: „Die Konzentration auf drängende Themen wie den Klimawandel lockt mehr Menschen in die Mathematik, die wir wollen, also alle, insbesondere aber Frauen, farbige Menschen und queere Menschen; jeder mit einem unterrepräsentierten Hintergrund.“

Ressourcen bündeln

Hardenbrook trat dem ACCESS-Programm vor ihrem ersten Studienjahr bei und verbrachte den Sommer in einem Astrophysiklabor, was ihr die Augen für die Möglichkeit öffnete, Forschung zu betreiben. „Es hat wirklich mein Leben verändert“, sagt sie, nicht zuletzt, weil sie sich dazu entschloss, bei Prof. Golden in Mathematik zu promovieren, nachdem sie als Studentin den Wärmetransport durch Meereis studiert hatte.

Rebecca Hardenbrook unterrichtet Mathematik für Studenten der University of Utah in Salt Lake City.

Als Lehrassistentin begeistert sie nun jüngere Schüler für das ACCESS-Programm und modelliert Schmelzteiche, also Wasserbecken auf dem arktischen Meereis. Diese Teiche spielen eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der langfristigen Schmelzraten der arktischen Meereisdecke, indem sie Sonnenstrahlung absorbieren, anstatt sie zu reflektieren. Während sie wachsen und sich zusammenfügen, durchlaufen sie einen Übergang in der fraktalen Geometrie, wodurch effektiv ein nie endendes Muster entsteht, das von Mathematikern modelliert werden kann.

Hardenbrook baut auf einem Jahrzehnt der Arbeit von Prof. Golden und früheren Studenten und Forschern der Universität zu Schmelzteichen auf, indem er das klassische Ising-Modell, das vor mehr als einem Jahrhundert entwickelt wurde und erklärt, wie Materialien Magnetismus gewinnen oder verlieren können, an die Modellschmelze anpasst Teichgeometrie. „Ich hoffe, das Modell für Meereis physikalisch präziser zu machen, damit es in globale Klimamodelle integriert werden kann, um einen genaueren Ansatz für die Behandlung von Schmelztümpeln zu schaffen, die einen überraschenden Einfluss auf die Albedo der Arktis haben“, erklärt sie.

Zum Gesamtbild beitragen

Mathematiker haben bereits das Rätsel gelöst, wie sich die Breite der welligen Randzone des Meereises definieren lässt, die sich vom dichten inneren Kern des Packeises bis zu den äußeren Rändern erstreckt, wo Wellen das schwimmende Eis brechen können.

Court Strong, ein Atmosphärenforscher und einer von Prof. Goldens Kollegen an der University of Utah, ließ sich von einer ungewöhnlichen Quelle inspirieren: der Großhirnrinde eines Rattengehirns. Er erkannte, dass sie zur Messung der Breite der Randeiszone dieselbe mathematische Methode verwenden konnten wie zur Messung der Dicke des holprigen Gehirns des Nagetiers, das ebenfalls viele Variationen aufweist. Mit Hilfe dieses vereinfachten Modells konnte das Team zeigen, dass sich die Randeiszone im Zuge der Klimaerwärmung um etwa 40 % vergrößert hat.

Das ACCESS-Programm der University of Utah, einschließlich seiner praktischen Forschung, lässt Studierende in ein interdisziplinäres Umfeld eintauchen, in dem Mathematik Teil eines größeren Ganzen ist. Es fördert die gegenseitige Befruchtung, bei der Methoden und Ideen aus scheinbar nicht zusammenhängenden Bereichen der Wissenschaft zur Lösung von Problemen verwendet werden können, wenn die zugrunde liegende Mathematik im Wesentlichen dieselbe ist.

„Wenn Sie mit einer ungewöhnlichen Situation konfrontiert werden, brauchen Sie unterschiedliche Köpfe, um ein Problem klar zu betrachten und Lösungen zu finden“, sagt Prof. Golden.

Der Meereisverlust in der Arktis dauerte nur wenige Jahrzehnte und schreitet in besorgniserregendem Tempo voran.

„Wir brauchen alle guten Köpfe und unterschiedlichen Denkweisen, die wir kriegen können, und zwar schnell“, sagt er.

Dieser Artikel wurde für die University of Utah, die National Science Foundation und das Office of Naval Research von Elvis Bahati Orlendo, International Foundation for Science, Stockholm und Dr. Magdalena Stoeva, FIOMP, FIUPESM, rezensiert.

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