このような痛ましい逸話は探検家からのものだと期待するかもしれませんが、ライマー博士は数学者であり、ユタ大学の講師でもあり、居心地の良い教室を地球上で最も人が住みにくい荒野のいくつかと交換するコミュニティの一員でもあります。 、数字を使って地球温暖化を理解しようとしています。
彼らの冒険により、極地で変化を引き起こすプロセスを直接観察し、海氷と地球の気候システムにおける重要な要素としての海氷の役割に関する数学的理論を検証することができます。
複雑な問題
北極の海氷の厚さと範囲は、衛星による測定が初めて行われて以来、急速に減少しています。 1979.
海氷は地球の冷蔵庫であり、太陽光を宇宙に反射します。より多くの氷が溶けると、より多くの黒い水が露出し、より多くの太陽光を吸収するため、その永続的な存在は地球の将来にとって重要です。この太陽で温められた水は、氷アルベドと呼ばれる自己強化サイクルでさらに多くの氷を溶かします。 フィードバック.
海氷の減少はおそらく、地球表面の惑星温暖化に関連する最も目に見える大規模な変化の 1 つであり、その挙動とそれがサポートする極地系の反応を分析、モデル化、予測することは信じられないほど困難ですが、数学者がそれを助けることができます。
ユタ大学の数学の著名な教授で生物医工学の非常勤教授であるケネス・ゴールデンは、30 年以上にわたって独自の海氷プログラムを構築してきました。数学研究、気候モデリング、エキサイティングな野外調査の組み合わせは、急速に変化する気候の差し迫った課題に取り組むためにこの種の科学を利用することに焦点を当てている学生やライマー博士を含むポスドク研究者を魅了しています。
動物の因数分解
ライマー博士は、ホッキョクグマとアザラシが凍った環境の変化にどのように反応するかを研究しました。彼女はこれらの生物とその生息地の相互作用を理解するために数学的モデルを使用する一方で、北極のクマから測定とサンプルも採取しました。これは数学者として彼女が行うことを全く予想していなかったことでした。 「彼らは落ち着いているときでも完全に眠っているわけではありません。頭がもうろうとしてるのよ」と彼女は説明する。 「そのうちの1匹は、いつか目が覚めるかもしれないと思って、私を驚かせました。」
ライマー博士は、北極で鎮静されたホッキョクグマから測定を行います。
生息地の縮小はホッキョクグマが薄氷の上を歩いていることを意味するが、ライマー博士のような研究が、専門家がこの雄大な捕食動物を守る方法を理解するのに役立つことが期待されている。
しかし、今彼女を興奮させているのは、海氷の内側の塩水ポケットに生息する細菌や藻類の「驚くべき」ミクロの世界です。この生物群集とその生息地は、温度、塩分、光の変化の影響を受けるため、正確にモデル化することが困難です。現在の研究では、ライマー博士は、これらの要因がどのように相互作用して氷内の生物活動を決定するかを理解するためのモデルを構築しています。 「これらの小規模なプロセスがマクロレベルのパターンにどのように寄与するかを理解することは、温暖化気候が極地の海洋生態系に及ぼす影響をモデル化する上で極めて重要です」と彼女は説明する。
塩辛い氷の上で数字を計算する
ゴールデン教授が興味を持っているのは、海氷の微細構造が広大な氷の挙動にどのような影響を与えるかを理解するという課題です。彼は地球の極地を18回訪れ、「轟音XNUMX年代」として知られる偏西風に耐えて船で南極に到達し、海氷の測定中に氷水への突入を九死に一生を得て回避した。 「あるとき、約XNUMXフィート離れたところに巨大なクジラがやって来ました。尻尾を軽く振るだけで、私が乗っていた薄い浮氷を簡単に砕くことができたでしょう」と彼は言います。
ゴールデン教授は海氷の微細構造を研究し、流体が海氷をどれだけ容易に流れるかを計算しています。 「海氷は塩辛いです。それは淡水の氷とは大きく異なる、塩水の混入による多孔質の微細構造を持っています」と彼は言います。
ゴールデン教授は、学際的なチームを率いて、流体が海氷を通って流れることができるように塩水の介在物が結合する臨界温度を予測し、介在物の形状が温度とともにどのように変化するかを分析するための初の X 線断層撮影技術を開発しました。 「海水が海氷にどのように浸透するかを理解することは、極地の海洋環境で気候変動がどのように起こるかを解釈する鍵の 1 つです」と彼は説明します。
この「オンオフスイッチ」の発見により、科学者は、塩水内に生息する藻類群集に栄養を与える栄養素がどのように補充されるかなどのプロセスをより深く理解できるようになりました。
ゴールデン教授の研究は、塩水介在物の多孔質微細構造を持つ海氷の中を流体がいかに容易に流れるかを示している（写真）。 WF ウィークスと A. アシュール、CRREL (米国陸軍寒冷地研究工学研究所) レポート 269、1969 年
海氷中の塩水はレーダー信号にも影響を及ぼし、それが気候モデルの検証に使用される氷の厚さなどのパラメーターの衛星測定に影響を与えます。これらのモデルは、将来の気候変動を予測し、世界の指導者や科学者が緩和戦略を考案するために使用しているため、重要です。
寒い中から入ってくる
氷の種類が多様であるため課題はありますが、研究者、教師、学生の多様性により、新鮮なアイデアを生み出すのに最適な環境が生まれます。米国では、2015 年に女性に授与された数学とコンピューター サイエンスの博士号のわずか XNUMX 分の XNUMX しかありませんでしたが、ユタ大学のような制度は、 ACCESS このプログラムは、指導や実践研究などの機会を提供することで、才能ある女性数学者を育成しています。北極への探検は、学生に高度な経験を与えるだけでなく、数学者が気候科学者やエンジニアと並んで最先端の研究や解決策に携わることを保証します。
ライマー博士とゴールデン教授は、吹雪と戦っていないときは、ACCESS プログラムの一環として、共同で学際的なプロジェクトに取り組み、女子学部生の指導を行っています。 2018年に気候変動を含めて数学の要素を刷新した後、ゴールデン教授は、数学専攻や研究職への進学に興味を持つACCESSの学生の数が以前の約XNUMX倍になったことを確認した。
ゴールデン教授の博士課程の学生の一人であるレベッカ・ハーデンブルックは次のように述べています。「気候変動のような差し迫った問題に焦点を当てることで、私たちが求める人々がより多く数学に集まります。それはすべての人ですが、特に女性、有色人種、クィアの人々です。」過小評価されている背景を持つ人なら誰でも。」
リソースのプール
ハーデンブルックさんは学部生としての 1 年目に先立って ACCESS プログラムに参加し、夏を天体物理学の研究室で過ごし、研究の可能性に目覚めました。 「本当に人生が変わりました」と彼女は言います。特に、学部時代に海氷を通る熱輸送を研究した後、さらにゴールデン教授のもとで数学の博士号取得を決意したからです。
レベッカ・ハーデンブルックはソルトレイクシティのユタ大学で学生に数学を教えています。
彼女は現在、ティーチングアシスタントとして ACCESS 計画について若い学生たちにインスピレーションを与えているほか、北極の海氷上の水たまりであるメルトポンドのモデル化も行っています。これらの池は、太陽放射を反射する代わりに吸収することにより、北極の海氷層の長期的な融解速度を決定する上で決定的な役割を果たします。それらが成長して結合すると、フラクタル幾何学が変化し、数学者がモデル化できる終わりのないパターンが事実上作成されます。
ハーデンブルック教授は、ゴールデン教授と同大学の以前の学生や研究者らによる10年にわたるメルトポンドの研究を基に、1世紀以上前に開発され、材料がどのように磁性を獲得または喪失するかを説明する古典的なイジングモデルを溶融モデルに適用することで構築している。池の幾何学。 「海氷のモデルを物理的により正確にして、それを地球規模の気候モデルに組み込んで、北極のアルベドに驚くべき影響を与える融解池に対処するためのより正確なアプローチを作成できるようにしたいと考えています」と彼女は説明します。
全体像に追加する
数学者たちは、波が浮氷を砕く可能性がある、密な流氷の内核から外側の縁まで広がる、起伏のある周縁海氷帯の幅をどのように定義するかという難問をすでに解決しています。
大気科学者であり、ユタ大学のゴールデン教授の同僚の一人であるコート・ストロング氏は、ネズミの脳の大脳皮質という珍しい情報源からインスピレーションを得た。彼は、げっ歯類のデコボコした脳の厚さを測定するのと同じ数学的手法を使用して、氷の周縁領域の幅を測定できることに気づきましたが、これにも多くのばらつきがあります。この単純化されたモデルの助けを借りて、研究チームは、気候が温暖化するにつれて氷の境界領域が約 40% 拡大したことを実証することができました。
ユタ大学の ACCESS スキームは、実践的な研究を含めて、数学が全体像の一部である学際的な環境に学生を浸します。これは、基礎となる数学が本質的に同じである場合に、一見無関係な科学分野の手法やアイデアを問題解決に使用できる他家受粉を促進します。
「異常な状況に直面したとき、問題を明確に見て解決策を見つけるには、さまざまな種類の思考が必要です」とゴールデン教授は言います。
北極で見られる海氷の減少は、わずか数十年の間に起こり、驚くべきペースで続いています。
「私たちは、得られるあらゆる優れた頭脳とさまざまな考え方を必要としています。そして、それらを早急に必要としています」と彼は言います。
この記事は、ストックホルム国際科学財団の Elvis Bahati Orlendo および FIOMP、FIUPESM の Magdalena Stoeva 博士によって、ユタ大学、国立科学財団および海軍研究局のために査読されました。
