Contare sui matematici per salvare il pianeta - International Science Council

Potresti aspettarti che un aneddoto così avvincente provenga da un esploratore, ma il dottor Reimer è un matematico e docente presso l'Università dello Utah, oltre a far parte di una comunità che ha scambiato le aule accoglienti con alcune delle zone più inospitali della Terra. , nel tentativo di utilizzare i numeri per comprendere il riscaldamento globale.

Le loro avventure consentono loro di osservare in prima persona i processi che guidano il cambiamento nelle regioni polari e di convalidare le loro teorie matematiche sul ghiaccio marino e sul suo ruolo come componente fondamentale nel sistema climatico della Terra.

Il professor Golden, insieme ad altri scienziati e matematici dell'Università dello Utah, preleva campioni di ghiaccio per misurare la permeabilità ai fluidi in Antartide.

Un problema complesso

Lo spessore e l’estensione del ghiaccio marino nell’Artico sono diminuiti rapidamente da quando sono state effettuate le prime misurazioni satellitari 1979.

Il ghiaccio marino è il frigorifero della Terra, che riflette la luce solare nello spazio. La sua presenza duratura è importante per il futuro del nostro pianeta perché, man mano che il ghiaccio si scioglie, viene esposta più acqua scura che assorbe più luce solare. Quest’acqua riscaldata dal sole scioglie più ghiaccio in un ciclo autorinforzante chiamato albedo del ghiaccio feedback.

Sebbene il declino del ghiaccio marino sia forse uno dei cambiamenti su larga scala più visibili legati al riscaldamento planetario sulla superficie terrestre, analizzare, modellare e prevedere il suo comportamento e la risposta del sistema polare che supporta è incredibilmente difficile, ma i matematici possono aiutare.

Kenneth Golden, un illustre professore di matematica e professore aggiunto di ingegneria biomedica presso l'Università dello Utah, ha costruito un programma unico sul ghiaccio marino in 30 anni. La sua combinazione di ricerca matematica, modellazione climatica ed entusiasmanti spedizioni sul campo, ha attratto studenti e ricercatori post-dottorato, tra cui il dottor Reimer, che si concentrano sull’uso di questo tipo di scienza per aiutare ad affrontare le sfide urgenti di un clima in rapido cambiamento.

Factoring negli animali

Il dottor Reimer ha studiato come gli orsi polari e le foche rispondono ai cambiamenti nel loro ambiente ghiacciato. Oltre a utilizzare modelli matematici per comprendere le interazioni tra queste creature e il loro habitat, ha anche effettuato misurazioni e campioni di orsi nell'Artico, cosa che non si sarebbe mai aspettata di fare come matematica. “Non dormono del tutto quando vengono tranquillizzati; sono intontiti”, spiega. "Uno di loro mi ha spaventato perché sembrava che ad un certo punto potesse svegliarsi."

Il dottor Reimer effettua misurazioni su un orso polare sedato nell'Artico.

Il loro habitat in diminuzione significa che gli orsi polari camminano su ghiaccio sottile, ma si spera che studi come quello del dottor Reimer aiutino gli esperti a capire come proteggere questi maestosi predatori.

Tuttavia, è lo “strabiliante” mondo microscopico di batteri e alghe che vivono nelle sacche di acqua salata all’interno del ghiaccio marino che ora la entusiasma. Questa comunità biologica e il suo habitat sono influenzati dai cambiamenti di temperatura, salinità e luce, rendendo difficile una modellazione accurata. Nel suo lavoro attuale, la dott.ssa Reimer costruisce modelli per comprendere come questi fattori interagiscono per determinare l'attività biologica all'interno del ghiaccio. “Comprendere come i processi su queste piccole scale contribuiscono ai modelli a livello macro è fondamentale per modellare l’impatto di un clima in riscaldamento sull’ecologia marina polare”, spiega.

Scricchiolare i numeri sul ghiaccio salato

È la sfida di comprendere come la struttura microscopica del ghiaccio marino influenza il comportamento di massicce distese di ghiaccio che interessa al professor Golden. Ha visitato le regioni polari della Terra 18 volte, sfidando i venti occidentali conosciuti come i “Roaring Forties” per raggiungere l'Antartide in nave ed evitando per un pelo di tuffarsi nelle acque ghiacciate mentre misurava il ghiaccio marino. "Una volta sono stato visitato da un'enorme balena a circa due metri e mezzo di distanza, che avrebbe potuto facilmente rompere il sottile banco di ghiaccio su cui mi trovavo con un semplice colpo della coda", dice.

I matematici che conducono esperimenti nelle regioni polari possono sperimentare la sua straordinaria fauna selvatica, comprese le balene.

Il professor Golden studia la microstruttura del ghiaccio marino per calcolare la facilità con cui il fluido può fluire attraverso di esso. “Il ghiaccio marino è salato. Ha una microstruttura porosa di inclusioni di salamoia che è molto diversa dal ghiaccio d’acqua dolce”, afferma.

Il professor Golden ha guidato team interdisciplinari a prevedere la temperatura critica alla quale le inclusioni saline si collegano in modo che il fluido possa fluire attraverso il ghiaccio marino e a sviluppare la prima tecnica di tomografia a raggi X per analizzare come la geometria delle inclusioni si evolve con la temperatura. “Capire come l’acqua di mare filtra attraverso il ghiaccio marino è una delle chiavi per interpretare come si svolgeranno i cambiamenti climatici nell’ambiente marino polare”, spiega.

La scoperta di questo “interruttore on-off” ha aiutato gli scienziati a comprendere meglio processi come il modo in cui vengono reintegrati i nutrienti che alimentano le comunità di alghe che vivono nelle inclusioni di salamoia.

Gli studi del professor Golden mostrano con quanta facilità il fluido può fluire attraverso il ghiaccio marino, che ha una microstruttura porosa di inclusioni saline (nella foto). WF Weeks e A. Assur, CRREL (Laboratorio di ricerca e ingegneria delle regioni fredde dell'esercito americano) Rapporto 269, 1969

La salamoia nel ghiaccio marino influenza anche la sua firma radar, che influenza le misurazioni satellitari di parametri come lo spessore del ghiaccio utilizzati per convalidare i modelli climatici. Questi modelli sono importanti perché prevedono i futuri cambiamenti del nostro clima e vengono utilizzati dai leader e dagli scienziati mondiali per elaborare strategie di mitigazione.

Arrivo dal freddo

La varietà del ghiaccio rappresenta una sfida, ma la diversità tra ricercatori, insegnanti e studenti crea l’ambiente perfetto per nuove idee. Negli Stati Uniti, nel 2015, solo un quarto dei dottorati in matematica e informatica sono stati assegnati a donne, ma programmi come quello dell’Università dello Utah ACCESSO Il programma sta coltivando matematiche di talento aiutandole a sbloccare opportunità come tutoraggio e ricerca pratica. Le spedizioni nell'Artico non solo offrono agli studenti un'esperienza elevata, ma garantiscono che i matematici siano coinvolti in ricerche e soluzioni all'avanguardia, insieme a scienziati e ingegneri del clima.

Quando non combattono contro le bufere di neve, il dottor Reimer e il professor Golden lavorano su progetti collaborativi e interdisciplinari e fanno da co-tutori a studentesse universitarie come parte del programma ACCESS. Dopo aver aggiornato la componente di matematica nel 2018 per includere il cambiamento climatico, il professor Golden ha visto circa triplicare il numero di studenti ACCESS interessati a conseguire una specializzazione in matematica o un tirocinio di ricerca rispetto a prima.

Rebecca Hardenbrook, una delle studentesse di dottorato del professor Golden, afferma: “concentrarsi su questioni urgenti come il cambiamento climatico attira più persone che desideriamo verso la matematica, ovvero tutti, ma in particolare le donne, le persone di colore, le persone queer; chiunque provenga da un contesto sottorappresentato.

Mettere in comune le risorse

Hardenbrook si è unita al programma ACCESS prima del suo primo anno di laurea, trascorrendo l'estate in un laboratorio di astrofisica, cosa che le ha aperto gli occhi sulla possibilità di fare ricerca. "Ha davvero cambiato la vita", dice, anche perché ha deciso di conseguire un dottorato in matematica con il Prof Golden dopo aver studiato il trasporto termico attraverso il ghiaccio marino come studente universitario.

Rebecca Hardenbrook insegna matematica agli studenti dell'Università dello Utah a Salt Lake City.

Ora ispira gli studenti più giovani nel programma ACCESS come assistente didattico, oltre a modellare gli stagni di fusione, che sono pozze d'acqua sul ghiaccio marino artico. Questi stagni svolgono un ruolo decisivo nel determinare i tassi di scioglimento a lungo termine della copertura di ghiaccio marino artico, assorbendo la radiazione solare invece di rifletterla. Man mano che crescono e si uniscono, subiscono una transizione nella geometria frattale, creando di fatto uno schema infinito che può essere modellato dai matematici.

Hardenbrook si sta basando su un decennio di lavoro sugli stagni di fusione del professor Golden e di precedenti studenti e ricercatori dell'università, adattando il classico modello di Ising, sviluppato più di un secolo fa e che spiega come i materiali possono guadagnare o perdere magnetismo, per modellare la fusione. geometria dello stagno. “Spero di rendere il modello per il ghiaccio marino più preciso dal punto di vista fisico in modo che possa essere inserito nei modelli climatici globali per creare un approccio più accurato per affrontare gli stagni di fusione, che hanno un effetto sorprendente sull’albedo dell’Artico”, spiega.

Aggiunta al quadro generale

I matematici hanno già risolto l’enigma su come definire la larghezza della zona marginale ondulata del ghiaccio marino, che si estende dal denso nucleo interno della banchisa fino ai margini esterni, dove le onde possono rompere il ghiaccio galleggiante.

Court Strong, scienziato dell'atmosfera e collega del professor Golden all'Università dello Utah, ha tratto ispirazione da una fonte insolita: la corteccia cerebrale di un topo. Si rese conto che avrebbero potuto usare lo stesso metodo matematico per misurare la larghezza della zona marginale di ghiaccio come fanno per misurare lo spessore del cervello irregolare del roditore, che presenta anch'esso molte variazioni. Con l’aiuto di questo modello semplificato, il team è stato in grado di dimostrare che la zona marginale del ghiaccio si è ampliata di circa il 40% man mano che il nostro clima si è riscaldato.

Il programma ACCESS dell'Università dello Utah, inclusa la sua ricerca pratica, immerge gli studenti in un ambiente interdisciplinare in cui la matematica è parte di un quadro più ampio. Incoraggia l’impollinazione incrociata, in cui metodi e idee provenienti da aree scientifiche apparentemente non correlate possono essere utilizzati per risolvere problemi quando la matematica sottostante è essenzialmente la stessa.

"Quando ci si trova di fronte a una situazione insolita, sono necessari diversi tipi di menti per esaminare il problema con chiarezza e trovare soluzioni", afferma il prof. Golden.

La perdita di ghiaccio marino osservata nell’Artico è avvenuta nell’arco di pochi decenni e continua a un ritmo allarmante.

“Abbiamo bisogno di tutti i migliori cervelli e diversi modi di pensare che possiamo ottenere, e ne abbiamo bisogno velocemente”, dice.

Questo articolo è stato rivisto per l'Università dello Utah, la National Science Foundation e l'Office of Naval Research da Elvis Bahati Orlendo, International Foundation for Science, Stoccolma e dalla Dr Magdalena Stoeva, FIOMP, FIUPESM.