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Contando con matemáticos para ayudar a salvar el planeta

En un témpano de hielo blanco brillante que flota en el Océano Ártico, un grupo de personas con abrigos voluminosos se adaptan al frío penetrante, después de haber sido dejados en helicóptero. “De repente, me doy la vuelta y hay un oso polar que empieza a correr hacia nosotros”, dice Jody Reimer, relatando un momento de pánico. “Afortunadamente, el helicóptero se abalanzó para asustar al oso, pero tuve la adrenalina por el resto del día”, agrega, riendo.

Se podría esperar que una anécdota tan emocionante proviniera de un explorador, pero el Dr. Reimer es matemático y profesor de la Universidad de Utah, además de ser parte de una comunidad que ha cambiado acogedoras aulas por algunas de las zonas salvajes más inhóspitas de la Tierra. , en un intento por utilizar números para comprender el calentamiento global.

Sus aventuras les permiten observar de primera mano los procesos que impulsan el cambio en las regiones polares y validar sus teorías matemáticas sobre el hielo marino y su papel como componente crítico en el sistema climático de la Tierra.

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El profesor Golden, junto con otros científicos y matemáticos de la Universidad de Utah, toman muestras de núcleos de hielo para medir la permeabilidad de los fluidos en la Antártida.

Un problema complejo

El espesor y la extensión del hielo marino en el Ártico han disminuido rápidamente desde que se tomaron por primera vez mediciones por satélite en 1979.

El hielo marino es el refrigerador de la Tierra y refleja la luz del sol hacia el espacio. Su presencia duradera es importante para el futuro de nuestro planeta porque, a medida que se derrite más hielo, queda expuesta más agua oscura que absorbe más luz solar. Esta agua calentada por el sol derrite más hielo en un ciclo que se refuerza a sí mismo llamado albedo del hielo. realimentación.

Si bien la disminución del hielo marino es quizás uno de los cambios a gran escala más visibles relacionados con el calentamiento planetario en la superficie de la Tierra, analizar, modelar y predecir su comportamiento y la respuesta del sistema polar que sustenta es increíblemente difícil, pero los matemáticos pueden ayudar.

Kenneth Golden, distinguido profesor de matemáticas y profesor adjunto de ingeniería biomédica en la Universidad de Utah, ha creado un programa único sobre hielo marino a lo largo de 30 años. Su combinación de investigación matemática, modelización climática y apasionantes expediciones de campo ha atraído a estudiantes e investigadores postdoctorales, incluido el Dr. Reimer, que se centran en utilizar este tipo de ciencia para ayudar a abordar los desafíos apremiantes de un clima que cambia rápidamente.

Teniendo en cuenta a los animales

El Dr. Reimer ha estudiado cómo responden los osos polares y las focas a los cambios en su entorno helado. Si bien utilizó modelos matemáticos para comprender las interacciones entre estas criaturas y su hábitat, también tomó medidas y muestras de osos en el Ártico, algo que nunca esperó hacer como matemática. “No están completamente dormidos cuando se les tranquiliza; están aturdidos”, explica. “Uno de ellos me asustó porque parecía que podría despertar en algún momento”.

El Dr. Reimer toma medidas de un oso polar sedado en el Ártico.

Su hábitat cada vez más reducido significa que los osos polares caminan sobre hielo fino, pero se espera que estudios como el del Dr. Reimer ayuden a los expertos a comprender cómo proteger a estos majestuosos depredadores.

Sin embargo, lo que ahora la excita es el mundo microscópico “alucinante” de bacterias y algas que viven en bolsas de agua salada dentro del hielo marino. Esta comunidad biológica y su hábitat están influenciados por cambios de temperatura, salinidad y luz, lo que dificulta su modelización con precisión. En su trabajo actual, la Dra. Reimer construye modelos para comprender cómo interactúan estos factores para determinar la actividad biológica dentro del hielo. "Comprender cómo los procesos a estas pequeñas escalas contribuyen a los patrones a nivel macro es fundamental para modelar el impacto del calentamiento climático en la ecología marina polar", explica.

Haciendo números sobre hielo salado

Lo que interesa al profesor Golden es el desafío de comprender cómo la estructura microscópica del hielo marino afecta el comportamiento de enormes extensiones de hielo. Ha visitado las regiones polares de la Tierra 18 veces, desafiando los vientos del oeste conocidos como los “Cuarenta rugientes” para llegar a la Antártida en barco y evitando por poco sumergirse en aguas heladas mientras medía el hielo marino. "Una vez fui visitado por una enorme ballena a unos dos metros y medio de distancia, que fácilmente podría haber roto el delgado témpano en el que me encontraba con un movimiento casual de su cola", dice.

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Los matemáticos que realizan experimentos en las regiones polares pueden experimentar su impresionante vida silvestre, incluidas las ballenas.

El profesor Golden estudia la microestructura del hielo marino para calcular con qué facilidad puede fluir un líquido a través de él. “El hielo marino es salado. Tiene una microestructura porosa de inclusiones de salmuera que es muy diferente del hielo de agua dulce”, afirma.

El profesor Golden ha dirigido equipos interdisciplinarios para predecir la temperatura crítica a la que se conectan las inclusiones de salmuera para que el fluido pueda fluir a través del hielo marino, y para desarrollar la primera técnica de tomografía de rayos X para analizar cómo evoluciona la geometría de las inclusiones con la temperatura. "Comprender cómo se filtra el agua de mar a través del hielo marino es una de las claves para interpretar cómo se desarrollará el cambio climático en el entorno marino polar", explica.

El descubrimiento de este "interruptor de encendido y apagado" ha ayudado a los científicos a comprender mejor procesos como, por ejemplo, cómo se reponen los nutrientes que alimentan a las comunidades de algas que viven en las inclusiones de salmuera.

Los estudios del profesor Golden muestran con qué facilidad puede fluir un líquido a través del hielo marino, que tiene una microestructura porosa de inclusiones de salmuera (en la foto). WF Weeks y A. Assur, CRREL (Laboratorio de ingeniería e investigación de regiones frías del ejército de EE. UU.) Informe 269, 1969

La salmuera en el hielo marino también afecta su firma de radar, lo que afecta las mediciones satelitales de parámetros como el espesor del hielo utilizados para validar los modelos climáticos. Estos modelos son importantes porque predicen cambios futuros en nuestro clima y son utilizados por líderes y científicos mundiales para idear estrategias de mitigación.

Venir del frio

La variedad del hielo presenta un desafío, pero la diversidad entre investigadores, profesores y estudiantes crea el ambiente perfecto para nuevas ideas. En Estados Unidos, solo una cuarta parte de los doctorados en matemáticas e informática fueron otorgados a mujeres en 2015, pero programas como el de la Universidad de Utah ACCESO El programa está formando a mujeres matemáticas talentosas ayudándolas a desbloquear oportunidades como tutoría e investigación práctica. Las expediciones al Ártico no solo brindan a los estudiantes una experiencia superior, sino que también garantizan que los matemáticos participen en investigaciones y soluciones de vanguardia, junto con científicos e ingenieros climáticos.

Cuando no están luchando contra tormentas de nieve, la Dra. Reimer y la profesora Golden trabajan en proyectos colaborativos e interdisciplinarios y son co-mentoras de estudiantes universitarias como parte del programa ACCESS. Después de actualizar el componente de matemáticas en 2018 para incluir el cambio climático, el profesor Golden ha visto aproximadamente triplicar el número de estudiantes de ACCESS interesados ​​en tomar una especialización en matemáticas o una colocación de investigación que antes.

Rebecca Hardenbrook, una de las estudiantes de doctorado del profesor Golden, dice: “centrarse en cuestiones urgentes como el cambio climático atrae a más personas que queremos hacia las matemáticas, que son todos, pero en particular, las mujeres, las personas de color, las personas queer; cualquiera que provenga de un entorno subrepresentado”.

Agrupar recursos

Hardenbrook se unió al programa ACCESS antes de su primer año como estudiante y pasó el verano en un laboratorio de astrofísica, lo que le abrió los ojos a la posibilidad de realizar investigaciones. "Realmente me cambió la vida", dice, sobre todo porque decidió realizar un doctorado en matemáticas con el profesor Golden después de estudiar el transporte térmico a través del hielo marino como estudiante.

Rebecca Hardenbrook enseña matemáticas a estudiantes de la Universidad de Utah en Salt Lake City.

Ahora inspira a estudiantes más jóvenes en el programa ACCESS como asistente docente, además de modelar estanques de deshielo, que son charcos de agua en el hielo marino del Ártico. Estos estanques desempeñan un papel decisivo en la determinación de las tasas de derretimiento a largo plazo de la capa de hielo marino del Ártico al absorber la radiación solar en lugar de reflejarla. A medida que crecen y se unen, experimentan una transición en la geometría fractal, creando efectivamente un patrón interminable que los matemáticos pueden modelar.

Hardenbrook se basa en una década de trabajo en estanques de derretimiento realizado por el profesor Golden y estudiantes e investigadores anteriores de la universidad adaptando el modelo clásico de Ising, que se desarrolló hace más de un siglo y explica cómo los materiales pueden ganar o perder magnetismo, para modelar el derretimiento. geometría del estanque. "Espero hacer que el modelo del hielo marino sea más preciso físicamente para que pueda incluirse en modelos climáticos globales para crear un enfoque más preciso para abordar los estanques de deshielo, que tienen un efecto sorprendente en el albedo del Ártico", explica.

Agregando al panorama general

Los matemáticos ya han resuelto el enigma de cómo definir la anchura de la zona ondulante marginal de hielo marino, que se extiende desde el denso núcleo interior de la banquisa hasta las franjas exteriores, donde las olas pueden romper el hielo flotante.

Court Strong, científico atmosférico y uno de los colegas del profesor Golden en la Universidad de Utah, se inspiró en una fuente inusual: la corteza cerebral del cerebro de una rata. Se dio cuenta de que podían utilizar el mismo método matemático para medir el ancho de la zona marginal de hielo que utilizan para medir el grosor del cerebro lleno de baches del roedor, que también tiene mucha variación. Con la ayuda de este modelo simplificado, el equipo pudo demostrar que la zona marginal de hielo se ha ampliado alrededor de un 40% a medida que nuestro clima se ha calentado.

El esquema ACCESS de la Universidad de Utah, incluida su investigación práctica, sumerge a los estudiantes en un entorno interdisciplinario donde las matemáticas son parte de un panorama más amplio. Fomenta la polinización cruzada, donde se pueden utilizar métodos e ideas de áreas de la ciencia aparentemente no relacionadas para resolver problemas cuando las matemáticas subyacentes son esencialmente las mismas.

"Cuando se presenta una situación inusual, se necesitan diferentes tipos de mentes para ver el problema con claridad y encontrar soluciones", dice el profesor Golden.

La pérdida de hielo marino observada en el Ártico se ha producido en apenas unas pocas décadas y continúa a un ritmo alarmante.

"Necesitamos todos los buenos cerebros y las diferentes formas de pensar que podamos conseguir, y los necesitamos rápidamente", afirma.

Este artículo ha sido revisado para la Universidad de Utah, la Fundación Nacional de Ciencias y la Oficina de Investigación Naval por Elvis Bahati Orlendo, Fundación Internacional para la Ciencia, Estocolmo y la Dra. Magdalena Stoeva, FIOMP, FIUPESM.

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