Registreeri

Loodan, et matemaatikud aitavad planeedi päästa

Põhja-Jäämeres hõljuval hiilgaval valgel jäälaul kohaneb kopteriga maha visatud rühm suuremahulistes mantlites inimesi hammustava külmaga. "Äkki pööran end ümber ja seal on jääkaru, kes hakkab meile vastu jooksma," räägib Jody Reimer hetkest, mil tekkis paanika. "Õnneks hüppas helikopter tagasi, et karu eemale peletada, kuid adrenaliini värises kogu ülejäänud päeva," lisab ta naerdes.

Võib eeldada, et selline naelutav anekdoot pärineb maadeavastajalt, kuid dr Reimer on matemaatik ja Utah' ülikooli õppejõud ning samuti osa kogukonnast, mis on vahetanud õdusad klassiruumid mõne Maa kõige ebasõbralikuma kõrbe vastu. , et kasutada numbreid globaalse soojenemise mõistmiseks.

Nende seiklused võimaldavad neil vahetult jälgida protsesse, mis põhjustavad muutusi polaaraladel, ning kinnitada oma matemaatilisi teooriaid merejää kohta ja selle rolli kriitilise komponendina Maa kliimasüsteemis.

Esita video
Professor Golden koos teiste Utah' ülikooli teadlaste ja matemaatikutega võtab Antarktikas vedeliku läbilaskvuse mõõtmiseks jääsüdamiku proove.

Keeruline probleem

Merejää paksus ja ulatus Arktikas on pärast esimest satelliitmõõtmiste tegemist kiiresti vähenenud 1979.

Merejää on Maa külmik, mis peegeldab päikesevalgust tagasi kosmosesse. Selle püsiv kohalolek on meie planeedi tuleviku jaoks oluline, sest jää sulades paljastub rohkem tumedat vett, mis neelab rohkem päikesevalgust. See päikesesoe vesi sulatab rohkem jääd isetugevduvas tsüklis, mida nimetatakse jääalbeedoks tagasiside.

Kuigi merejää vähenemine on võib-olla üks nähtavamaid ulatuslikke muutusi, mis on seotud planeetide soojenemisega Maa pinnal, on selle käitumise ja selle toetatava polaarsüsteemi reaktsiooni analüüsimine, modelleerimine ja ennustamine uskumatult keeruline, kuid matemaatikud saavad aidata.

Kenneth Golden, väljapaistev matemaatikaprofessor ja Utah' ülikooli biomeditsiinitehnika abiprofessor, on 30 aasta jooksul loonud ainulaadse merejää programmi. Selle matemaatikauuringute, kliima modelleerimise ja põnevate väliekspeditsioonide kombinatsioon on meelitanud tudengeid ja järeldoktorante, sealhulgas dr Reimerit, kes on keskendunud seda tüüpi teaduste kasutamisele, et aidata toime tulla kiiresti muutuva kliimaga kaasnevate pakiliste väljakutsetega.

Faktooring loomadel

Dr Reimer on uurinud, kuidas jääkarud ja hülged reageerivad muutustele nende külmunud keskkonnas. Kuigi ta kasutas matemaatilisi mudeleid, et mõista nende olendite ja nende elupaiga vastasmõju, võttis ta mõõtmisi ja proove ka Arktika karudelt, mida ta matemaatikuna kunagi ei oodanud. "Nad ei maga täielikult, kui nad on rahunenud; nad on kõhedad,” selgitab ta. "Üks neist ehmatas mind, sest tundus, et see võib ühel hetkel ärgata."

Dr Reimer mõõdab Arktikas rahustatud jääkaru.

Nende elupaiga kahanemine tähendab, et jääkarud kõnnivad õhukesel jääl, kuid loodetakse, et dr Reimeri sarnased uuringud aitavad ekspertidel mõista, kuidas majesteetlikke kiskjaid kaitsta.

Ent just merejää sees soolases veetaskutes elavate bakterite ja vetikate "meeletu" mikroskoopiline maailm tekitab temas praegu elevust. Seda bioloogilist kooslust ja selle elupaika mõjutavad temperatuuri, soolsuse ja valguse muutused, mistõttu on keeruline täpset modelleerimist. Oma praeguses töös konstrueerib dr Reimer mudeleid, et mõista, kuidas need tegurid mõjutavad jää bioloogilist aktiivsust. "Mõistmine, kuidas protsessid nendes väikestes mastaapides aitavad kaasa makrotasandi mustritele, on kriitilise tähtsusega, et modelleerida soojeneva kliima mõju polaarmere ökoloogiale, " selgitab ta.

Numbrite krõmpsutamine soolasel jääl

Prof Goldeni huvitab väljakutse mõista, kuidas merejää mikroskoopiline struktuur mõjutab tohutute jääalade käitumist. Ta on külastanud Maa polaaralasid 18 korda, trotsides läänetuult, mida tuntakse kui "möirgavaid neljakümnendaid", et jõuda laevaga Antarktikasse ja vältides merejää mõõtmise ajal jäisesse vette sukeldumist. "Üks kord külastas mind umbes kaheksa jala kaugusel massiivne vaal, kes oleks võinud ühe sabaliigutusega hõlpsasti purustada õhukese parve, millel olin," räägib ta.

Esita video
Polaaraladel katseid tegevad matemaatikud saavad kogeda selle vinget elusloodust, sealhulgas vaalu.

Prof Golden uurib merejää mikrostruktuuri, et arvutada, kui kergesti võib vedelik sellest läbi voolata. «Merejää on soolane. Sellel on poorne soolvee lisandite mikrostruktuur, mis erineb väga mageveejääst, ”ütleb ta.

Prof Golden on juhtinud interdistsiplinaarseid töörühmi, et ennustada kriitilist temperatuuri, mille juures soolvee lisandid ühenduvad, et vedelik saaks voolata läbi merejää, ja töötada välja esimene röntgentomograafia tehnika, et analüüsida, kuidas sulgude geomeetria muutub koos temperatuuriga. "Merevee läbi merejää imbumise mõistmine on üks võtmeid, kuidas tõlgendada, kuidas kliimamuutused polaarses merekeskkonnas toimuvad," selgitab ta.

Selle sisse-välja lüliti avastamine on aidanud teadlastel paremini mõista selliseid protsesse nagu see, kuidas soolvees elavaid vetikakooslusi toidavad toitained täienevad.

Professor Goldeni uuringud näitavad, kui kergesti võib vedelik voolata läbi merejää, millel on poorne soolvee lisandite mikrostruktuur (pildil). WF Weeks ja A. Assur, CRREL (USA Army Cold Regions Research and Engineering Lab) aruanne 269, 1969

Merejääs olev soolvesi mõjutab ka selle radari signaali, mis mõjutab kliimamudelite valideerimiseks kasutatavate parameetrite, näiteks jää paksuse satelliitmõõtmisi. Need mudelid on olulised, kuna need ennustavad meie kliimas tulevasi muutusi ning maailma juhid ja teadlased kasutavad neid leevendusstrateegiate väljatöötamiseks.

Külma käest tulles

Jää mitmekesisus on väljakutse, kuid teadlaste, õpetajate ja õpilaste mitmekesisus loob ideaalse keskkonna värskete ideede jaoks. USA-s anti 2015. aastal naistele vaid veerand matemaatika ja arvutiteaduste doktorikraadidest, kuid sellised skeemid nagu Utah' ülikool ACCESS programm kasvatab andekaid naismatemaatikuid, aidates neil avada selliseid võimalusi nagu mentorlus ja praktiline uurimistöö. Ekspeditsioonid Arktikasse ei anna õpilastele mitte ainult kõrgendatud kogemusi, vaid tagavad, et matemaatikud osalevad koos kliimateadlaste ja inseneridega tipptasemel teadusuuringutes ja lahendustes.

Kui nad ei võitle lumetormidega, töötavad dr Reimer ja prof Golden koostööprojektide kallal, interdistsiplinaarsetel projektidel ning juhendavad naissoost bakalaureuseõppe üliõpilasi programmi ACCESS raames. Pärast matemaatika komponendi värskendamist 2018. aastal, et lisada kliimamuutused, on prof Golden näinud ACCESSi õpilaste arvu, kes on huvitatud matemaatika eriala või uurimistöö vastuvõtmisest, varasemast umbes kolmekordseks.

Rebecca Hardenbrook, kes on üks professor Goldeni doktorantidest, ütleb: „keskendumine pakilisematele probleemidele, nagu kliimamuutus, meelitab matemaatikasse rohkem inimesi, keda tahame, s.o kõiki, aga eelkõige naisi, värvilisi ja veidraid inimesi; keegi alaesindatud taustaga.

Ressursside ühendamine

Hardenbrook liitus programmiga ACCESS enne oma esimest aastat bakalaureuseõppes, veetes suve astrofüüsika laboris, mis avas tema silmad võimalusele uurimistööd teha. "See oli tõesti elumuutev," ütleb ta, muu hulgas seetõttu, et pärast bakalaureuseõppes merejää kaudu soojustranspordi õppimist otsustas ta jätkata doktorikraadi matemaatikas prof Goldeni juures.

Rebecca Hardenbrook õpetab matemaatikat Salt Lake Citys asuvas Utahi ülikoolis.

Nüüd inspireerib ta nooremaid õpilasi õppeassistendina kasutama programmi ACCESS ja modelleerima sulatiike, mis on Arktika merejää veekogud. Need tiigid mängivad otsustavat rolli Arktika merejääkatte pikaajaliste sulamiskiiruste määramisel, kuna need neelavad päikesekiirgust, mitte ei peegelda seda. Kui nad kasvavad ja ühinevad, läbivad nad ülemineku fraktaalgeomeetrias, luues tõhusalt lõputu mustri, mida matemaatikud saavad modelleerida.

Hardenbrook tugineb prof Goldeni ning ülikooli varasemate üliõpilaste ja teadlaste poolt kümne aasta pikkusele tööle sulatiikide kallal, kohandades klassikalist Isingi mudelit, mis töötati välja enam kui sajand tagasi ja mis selgitab, kuidas materjalid võivad sulamise modelleerimiseks magnetilisust omandada või kaotada. tiigi geomeetria. "Loodan muuta merejää mudeli füüsiliselt täpsemaks, et seda saaks panna globaalsetesse kliimamudelitesse, et luua täpsem lähenemine sulatiikidele, millel on üllatav mõju Arktika albeedole," selgitab ta.

Suurele pildile lisamine

Matemaatikud on juba lahendanud mõistatuse, kuidas määrata lainelise marginaalse merejäävööndi laiust, mis ulatub pakijää tihedast sisesüdamikust kuni välimiste servadeni, kus lained võivad ujuva jää murda.

Court Strong, kes on atmosfääriteadlane ja üks prof Goldeni kolleegidest Utah’ ülikoolis, ammutas inspiratsiooni ebatavalisest allikast: roti aju ajukoorest. Ta mõistis, et nad saavad marginaalse jäävööndi laiuse mõõtmiseks kasutada sama matemaatilist meetodit, mida nad kasutavad näriliste konarliku aju paksuse mõõtmiseks, millel on samuti palju varieeruvust. Selle lihtsustatud mudeli abil suutis meeskond näidata, et jääpiirkond on meie kliima soojenedes laienenud umbes 40%.

Utah' ülikooli ACCESS-skeem, sealhulgas praktiline uurimistöö, sukeldab üliõpilased interdistsiplinaarsesse keskkonda, kus matemaatika on osa suuremast pildist. See soodustab risttolmlemist, kus näiliselt mitteseotud teadusvaldkondade meetodeid ja ideid saab kasutada probleemide lahendamiseks, kui aluseks olev matemaatika on sisuliselt sama.

„Kui teile esitatakse ebatavaline olukord, vajate probleemi selgeks vaatamiseks ja lahenduste leidmiseks erinevat tüüpi meeli,“ ütleb prof Golden.

Arktikas nähtud merejää kadu on toimunud vaid mõne aastakümne jooksul ja jätkub murettekitava tempoga.

"Me vajame kõiki häid ajusid ja erinevaid mõtteviise, mida saame, ja vajame neid kiiresti," ütleb ta.

Selle artikli on Utah' ülikooli, riikliku teadusfondi ja mereväeuuringute büroo jaoks läbi vaadanud Elvis Bahati Orlendo, rahvusvaheline teadusfond Stockholmist ja dr Magdalena Stoeva, FIOMP, FIUPESM.

Otse sisu juurde