Compter sur les mathématiciens pour aider à sauver la planète

On pourrait s'attendre à ce qu'une anecdote aussi poignante vienne d'un explorateur, mais le Dr Reimer est mathématicien et maître de conférences à l'Université de l'Utah, en plus de faire partie d'une communauté qui a troqué ses salles de classe confortables contre certaines des régions sauvages les plus inhospitalières de la Terre. , dans le but d’utiliser des chiffres pour comprendre le réchauffement climatique.

Leurs aventures leur permettent d'observer directement les processus à l'origine des changements dans les régions polaires et de valider leurs théories mathématiques sur la glace de mer et son rôle en tant que composant essentiel du système climatique terrestre.

Le professeur Golden, en collaboration avec d'autres scientifiques et mathématiciens de l'Université de l'Utah, prélève des échantillons de carottes de glace pour mesurer la perméabilité aux fluides en Antarctique.

Un problème complexe

L'épaisseur et l'étendue de la glace de mer dans l'Arctique ont diminué rapidement depuis que les premières mesures satellitaires ont été prises en 2007. 1979.

La glace de mer est le réfrigérateur de la Terre, réfléchissant la lumière du soleil vers l'espace. Sa présence durable est importante pour l'avenir de notre planète car, à mesure que la glace fond, davantage d'eau sombre est exposée, ce qui absorbe davantage de lumière solaire. Cette eau chauffée par le soleil fait fondre davantage de glace dans un cycle auto-renforcé appelé albédo de glace. Réactions.

Alors que le déclin de la glace de mer est peut-être l'un des changements à grande échelle les plus visibles liés au réchauffement planétaire à la surface de la Terre, analyser, modéliser et prédire son comportement et la réponse du système polaire qu'elle supporte est incroyablement difficile, mais les mathématiciens peuvent aider.

Kenneth Golden, professeur distingué de mathématiques et professeur adjoint de génie biomédical à l'Université de l'Utah, a construit un programme unique sur la glace de mer sur 30 ans. Sa combinaison de recherche mathématique, de modélisation climatique et d’expéditions sur le terrain passionnantes a attiré des étudiants et des chercheurs postdoctoraux, dont le Dr Reimer, qui se concentrent sur l’utilisation de ce type de science pour aider à relever les défis urgents d’un climat en évolution rapide.

Prendre en compte les animaux

Le Dr Reimer a étudié la manière dont les ours polaires et les phoques réagissent aux changements dans leur environnement gelé. Tout en utilisant des modèles mathématiques pour comprendre les interactions entre ces créatures et leur habitat, elle a également pris des mesures et des échantillons sur des ours de l'Arctique, ce qu'elle n'aurait jamais imaginé faire en tant que mathématicienne. « Ils ne dorment pas totalement lorsqu'ils sont tranquillisés ; ils sont groggy », explique-t-elle. "L'un d'eux m'a fait flipper parce qu'il semblait qu'il pourrait se réveiller à un moment donné."

Le Dr Reimer prend des mesures sur un ours polaire sous sédation dans l'Arctique.

Leur habitat diminuant signifie que les ours polaires marchent sur de la glace mince, mais on espère que des études comme celle du Dr Reimer aideront les experts à comprendre comment protéger ces majestueux prédateurs.

Cependant, c’est le monde microscopique « époustouflant » des bactéries et des algues qui vivent dans les poches d’eau salée à l’intérieur de la glace marine qui l’excite désormais. Cette communauté biologique et son habitat sont influencés par les changements de température, de salinité et de lumière, ce qui rend difficile une modélisation précise. Dans ses travaux actuels, la Dre Reimer construit des modèles pour comprendre comment ces facteurs interagissent pour déterminer l'activité biologique au sein de la glace. "Comprendre comment les processus à ces petites échelles contribuent aux modèles au niveau macro est essentiel pour modéliser l'impact du réchauffement climatique sur l'écologie marine polaire", explique-t-elle.

Calculer les chiffres sur de la glace salée

C'est le défi de comprendre comment la structure microscopique de la glace de mer affecte le comportement d'immenses étendues de glace qui intéresse le professeur Golden. Il a visité les régions polaires de la Terre 18 fois, bravant les vents d'ouest connus sous le nom de « Quarantièmes rugissants » pour atteindre l'Antarctique par bateau et évitant de peu de plonger dans les eaux glacées tout en mesurant la glace marine. «Une fois, j'ai reçu la visite d'une énorme baleine à environ huit pieds de distance, qui aurait facilement pu briser la fine banquise sur laquelle je me trouvais d'un simple coup de queue», dit-il.

Les mathématiciens menant des expériences dans les régions polaires peuvent découvrir sa faune impressionnante, notamment les baleines.

Le professeur Golden étudie la microstructure de la glace de mer pour calculer la facilité avec laquelle les fluides peuvent la traverser. « La glace de mer est salée. Elle possède une microstructure poreuse d'inclusions de saumure qui est très différente de la glace d'eau douce », dit-il.

Le professeur Golden a dirigé des équipes interdisciplinaires pour prédire la température critique à laquelle les inclusions de saumure se connectent afin que le fluide puisse s'écouler à travers la glace de mer, et pour développer la première technique de tomographie aux rayons X pour analyser l'évolution de la géométrie des inclusions avec la température. "Comprendre comment l'eau de mer s'infiltre à travers la glace de mer est l'une des clés pour interpréter l'impact du changement climatique sur l'environnement marin polaire", explique-t-il.

La découverte de cet « interrupteur marche-arrêt » a aidé les scientifiques à mieux comprendre des processus tels que la manière dont les nutriments qui nourrissent les communautés d'algues vivant dans les inclusions de saumure sont reconstitués.

Les études du professeur Golden montrent avec quelle facilité les fluides peuvent s'écouler à travers la glace de mer, qui possède une microstructure poreuse d'inclusions de saumure (photo). WF Weeks et A. Assur, CRREL (Laboratoire de recherche et d'ingénierie des régions froides de l'armée américaine) Rapport 269, 1969

La saumure présente dans la glace de mer affecte également sa signature radar, qui affecte les mesures par satellite de paramètres tels que l'épaisseur de la glace, utilisées pour valider les modèles climatiques. Ces modèles sont importants car ils prédisent les changements futurs de notre climat et sont utilisés par les dirigeants mondiaux et les scientifiques pour élaborer des stratégies d'atténuation.

Venant de la froide

La variété des glaces constitue un défi, mais la diversité parmi les chercheurs, les enseignants et les étudiants crée un environnement idéal pour de nouvelles idées. Aux États-Unis, seulement un quart des doctorats en mathématiques et en informatique ont été décernés à des femmes en 2015, mais des programmes tels que celui de l'Université de l'Utah ACCÈS Le programme forme des mathématiciennes talentueuses en les aidant à débloquer des opportunités telles que le mentorat et la recherche pratique. Les expéditions dans l'Arctique offrent non seulement aux étudiants une expérience élevée, mais garantissent également que les mathématiciens sont impliqués dans des recherches et des solutions de pointe, aux côtés des climatologues et des ingénieurs.

Lorsqu'ils ne luttent pas contre des blizzards, le Dr Reimer et le professeur Golden travaillent sur des projets collaboratifs et interdisciplinaires et co-encadrent des étudiantes de premier cycle dans le cadre du programme ACCESS. Après avoir actualisé la composante mathématiques en 2018 pour y inclure le changement climatique, le professeur Golden a vu environ tripler le nombre d'étudiants ACCESS intéressés à suivre une majeure en mathématiques ou un stage de recherche qu'auparavant.

Rebecca Hardenbrook, l'une des doctorantes du professeur Golden, déclare : « se concentrer sur des questions urgentes comme le changement climatique attire davantage de personnes que nous voulons vers les mathématiques, c'est-à-dire tout le monde, mais en particulier les femmes, les personnes de couleur, les personnes queer ; toute personne issue d’un milieu sous-représenté.

Mutualiser les ressources

Hardenbrook a rejoint le programme ACCESS avant sa première année de premier cycle, passant l'été dans un laboratoire d'astrophysique, ce qui lui a ouvert les yeux sur la possibilité de faire de la recherche. «Cela a vraiment changé ma vie», dit-elle, notamment parce qu'elle a décidé de poursuivre un doctorat en mathématiques avec le professeur Golden après avoir étudié le transport thermique à travers la glace de mer au premier cycle.

Rebecca Hardenbrook enseigne les mathématiques aux étudiants de l'Université de l'Utah à Salt Lake City.

Elle inspire désormais les plus jeunes étudiants du programme ACCESS en tant qu'assistante pédagogique, ainsi qu'en modélisant les bassins de fonte, qui sont des bassins d'eau sur la banquise arctique. Ces étangs jouent un rôle décisif dans la détermination des taux de fonte à long terme de la banquise arctique en absorbant le rayonnement solaire au lieu de le réfléchir. À mesure qu’ils grandissent et s’unissent, ils subissent une transition dans la géométrie fractale, créant ainsi un motif sans fin qui peut être modélisé par les mathématiciens.

Hardenbrook s'appuie sur une décennie de travaux sur les bassins de fusion menés par le professeur Golden et d'anciens étudiants et chercheurs de l'université en adaptant le modèle classique d'Ising, développé il y a plus d'un siècle et expliquant comment les matériaux peuvent gagner ou perdre du magnétisme, pour modéliser la fusion. géométrie de l'étang. «J'espère rendre le modèle de glace de mer plus précis physiquement afin qu'il puisse être intégré aux modèles climatiques mondiaux afin de créer une approche plus précise de la gestion des bassins de fonte, qui ont un effet surprenant sur l'albédo de l'Arctique», explique-t-elle.

Ajouter à la vue d’ensemble

Les mathématiciens ont déjà résolu l'énigme de la définition de la largeur de la zone marginale ondulée de glace de mer, qui s'étend du noyau interne dense de la banquise jusqu'aux franges extérieures, là où les vagues peuvent briser la glace flottante.

Court Strong, spécialiste de l'atmosphère et collègue du professeur Golden à l'Université de l'Utah, s'est inspiré d'une source inhabituelle : le cortex cérébral d'un cerveau de rat. Il s'est rendu compte qu'ils pouvaient utiliser la même méthode mathématique pour mesurer la largeur de la zone marginale de glace que pour mesurer l'épaisseur du cerveau bosselé du rongeur, qui présente également de nombreuses variations. À l’aide de ce modèle simplifié, l’équipe a pu démontrer que la zone marginale de glace s’est élargie d’environ 40 % à mesure que notre climat se réchauffait.

Le programme ACCESS de l'université de l'Utah, y compris ses recherches pratiques, plonge les étudiants dans un environnement interdisciplinaire où les mathématiques font partie d'un ensemble plus vaste. Il encourage la pollinisation croisée, où des méthodes et des idées provenant de domaines scientifiques apparemment sans rapport peuvent être utilisées pour résoudre des problèmes lorsque les mathématiques sous-jacentes sont essentiellement les mêmes.

"Lorsque vous êtes confronté à une situation inhabituelle, vous avez besoin de différents types d'esprit pour examiner clairement un problème et proposer des solutions", explique le professeur Golden.

La perte de glace de mer observée dans l’Arctique s’est produite sur quelques décennies seulement et se poursuit à un rythme alarmant.

« Nous avons besoin de tous les bons cerveaux et des différentes façons de penser possibles, et nous en avons besoin rapidement », dit-il.

Cet article a été révisé pour l'Université de l'Utah, la National Science Foundation et l'Office of Naval Research par Elvis Bahati Orlendo, de la Fondation internationale pour la science, Stockholm et le Dr Magdalena Stoeva, FIOMP, FIUPESM.