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Contando com matemáticos para ajudar a salvar o planeta

Em um bloco de gelo branco brilhante flutuando no Oceano Ártico, um grupo de pessoas em casacos volumosos se ajusta ao frio cortante, tendo sido deixado de helicóptero. “De repente, eu me viro e vejo um urso polar que começa a correr em nossa direção”, diz Jody Reimer, relatando um momento de pânico. “Felizmente, o helicóptero voltou para assustar o urso, mas eu tive a adrenalina abalada pelo resto do dia”, acrescenta ela, rindo.

Você pode esperar que uma anedota tão contundente venha de um explorador, mas o Dr. Reimer é matemático e professor da Universidade de Utah, além de fazer parte de uma comunidade que trocou salas de aula aconchegantes por algumas das regiões selvagens mais inóspitas da Terra. , numa tentativa de utilizar números para compreender o aquecimento global.

As suas aventuras permitem-lhes observar em primeira mão os processos que impulsionam as mudanças nas regiões polares e validar as suas teorias matemáticas sobre o gelo marinho e o seu papel como um componente crítico no sistema climático da Terra.

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O professor Golden, juntamente com outros cientistas e matemáticos da Universidade de Utah, coletam amostras de gelo para medir a permeabilidade aos fluidos na Antártica.

Um problema complexo

A espessura e a extensão do gelo marinho no Ártico diminuíram rapidamente desde que as medições por satélite foram feitas pela primeira vez em 1979.

O gelo marinho é o refrigerador da Terra, refletindo a luz solar de volta ao espaço. A sua presença duradoura é importante para o futuro do nosso planeta porque, à medida que mais gelo derrete, mais água escura é exposta, o que absorve mais luz solar. Esta água aquecida pelo sol derrete mais gelo em um ciclo auto-reforçador chamado albedo de gelo retornos.

Embora o declínio do gelo marinho seja talvez uma das mudanças em grande escala mais visíveis ligadas ao aquecimento planetário na superfície da Terra, analisar, modelar e prever o seu comportamento e a resposta do sistema polar que suporta é incrivelmente difícil, mas os matemáticos podem ajudar.

Kenneth Golden, um ilustre professor de matemática e professor adjunto de engenharia biomédica na Universidade de Utah, construiu um programa único de gelo marinho ao longo de 30 anos. A sua combinação de investigação matemática, modelação climática e emocionantes expedições de campo atraiu estudantes e investigadores de pós-doutoramento, incluindo o Dr. Reimer, que estão concentrados na utilização deste tipo de ciência para ajudar a enfrentar os desafios prementes de um clima em rápida mudança.

Fatoração em animais

O Dr. Reimer estudou como os ursos polares e as focas respondem às mudanças no seu ambiente congelado. Embora ela tenha usado modelos matemáticos para entender as interações entre essas criaturas e seu habitat, ela também fez medições e amostras de ursos no Ártico, algo que ela nunca imaginou fazer como matemática. “Eles não estão totalmente dormindo quando estão tranquilizados; eles estão grogues”, ela explica. “Um deles me assustou porque parecia que poderia acordar em algum momento.”

Dr. Reimer faz medições de um urso polar sedado no Ártico.

O seu habitat cada vez menor significa que os ursos polares andam sobre gelo fino, mas espera-se que estudos como o do Dr. Reimer ajudem os especialistas a compreender como proteger os majestosos predadores.

No entanto, é o mundo microscópico “alucinante” de bactérias e algas que vivem em bolsas de água salgada dentro do gelo marinho que agora a entusiasma. Esta comunidade biológica e o seu habitat são influenciados por mudanças de temperatura, salinidade e luz, tornando difícil modelar com precisão. Em seu trabalho atual, a Dra. Reimer constrói modelos para entender como esses fatores interagem para determinar a atividade biológica dentro do gelo. “Compreender como os processos nestas pequenas escalas contribuem para padrões de nível macro é fundamental para modelar o impacto de um clima mais quente na ecologia marinha polar”, explica ela.

Triturando os números no gelo salgado

É o desafio de compreender como a estrutura microscópica do gelo marinho afeta o comportamento de enormes extensões de gelo que interessa ao Prof Golden. Ele visitou as regiões polares da Terra 18 vezes, enfrentando os ventos de oeste conhecidos como “Roaring Forties” para chegar à Antártida de navio e evitando por pouco mergulhar em águas geladas enquanto mede o gelo marinho. “Certa vez, fui visitado por uma enorme baleia a cerca de XNUMX metros de distância, que poderia facilmente ter quebrado a fina banquisa em que eu estava com um movimento casual da cauda”, diz ele.

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Os matemáticos que realizam experiências nas regiões polares podem experimentar a sua incrível vida selvagem, incluindo baleias.

O professor Golden estuda a microestrutura do gelo marinho para calcular a facilidade com que o fluido pode fluir através dele. “O gelo marinho é salgado. Tem uma microestrutura porosa de inclusões de salmoura muito diferente do gelo de água doce”, afirma.

O professor Golden liderou equipes interdisciplinares para prever a temperatura crítica na qual as inclusões de salmoura se conectam para que o fluido possa fluir através do gelo marinho e para desenvolver a primeira técnica de tomografia de raios X para analisar como a geometria das inclusões evolui com a temperatura. “Compreender como a água do mar se infiltra através do gelo marinho é uma das chaves para interpretar como as alterações climáticas irão afetar o ambiente marinho polar”, explica ele.

A descoberta deste “interruptor liga-desliga” ajudou os cientistas a compreender melhor processos como a forma como os nutrientes que alimentam as comunidades de algas que vivem nas inclusões de salmoura são repostos.

Os estudos do professor Golden mostram como o fluido pode fluir facilmente através do gelo marinho, que possui uma microestrutura porosa de inclusões de salmoura (foto). WF Weeks e A. Assur, CRREL (Laboratório de Pesquisa e Engenharia de Regiões Frias do Exército dos EUA) Relatório 269, 1969

A salmoura no gelo marinho também afecta a sua assinatura de radar, que afecta as medições por satélite de parâmetros como a espessura do gelo utilizados para validar modelos climáticos. Estes modelos são importantes porque prevêem mudanças futuras no nosso clima e são utilizados por líderes mundiais e cientistas para definir estratégias de mitigação.

Vindo do frio

A variedade do gelo representa um desafio, mas a diversidade entre investigadores, professores e estudantes cria o ambiente perfeito para novas ideias. Nos EUA, apenas um quarto dos graus de doutoramento em matemática e ciências da computação foram concedidos a mulheres em 2015, mas programas como o da Universidade de Utah ACESSO O programa está nutrindo mulheres matemáticas talentosas, ajudando-as a desbloquear oportunidades como orientação e pesquisa prática. As expedições ao Ártico não só proporcionam aos alunos uma experiência elevada, mas também garantem que os matemáticos estejam envolvidos em pesquisas e soluções de ponta, juntamente com cientistas e engenheiros climáticos.

Quando não estão lutando contra nevascas, o Dr. Reimer e o Prof Golden trabalham em projetos colaborativos e interdisciplinares e são coorientadores de estudantes de graduação como parte do programa ACCESS. Depois de atualizar o componente de matemática em 2018 para incluir as mudanças climáticas, o Prof Golden viu quase triplicar o número de alunos do ACCESS interessados ​​em cursar matemática ou estágio de pesquisa do que antes.

Rebecca Hardenbrook, uma das alunas de doutoramento do Professor Golden, afirma: “focar em questões prementes como as alterações climáticas atrai mais pessoas que queremos para a matemática, ou seja, todas as pessoas, mas em particular, mulheres, pessoas de cor, pessoas queer; qualquer pessoa de origem sub-representada.”

Reunindo recursos

Hardenbrook ingressou no programa ACCESS antes de seu primeiro ano de graduação, passando o verão em um laboratório de astrofísica, o que lhe abriu os olhos para a possibilidade de fazer pesquisas. “Foi realmente uma mudança de vida”, diz ela, até porque decidiu fazer um doutoramento em matemática com o Prof Golden depois de estudar transporte térmico através do gelo marinho na licenciatura.

Rebecca Hardenbrook ensina matemática para alunos da Universidade de Utah, em Salt Lake City.

Ela agora inspira estudantes mais jovens no esquema ACCESS como assistente de ensino, bem como modela lagoas de derretimento, que são piscinas de água no gelo marinho do Ártico. Estas lagoas desempenham um papel decisivo na determinação das taxas de derretimento a longo prazo da cobertura de gelo marinho do Ártico, absorvendo a radiação solar em vez de a reflectir. À medida que crescem e se unem, passam por uma transição na geometria fractal, criando efetivamente um padrão sem fim que pode ser modelado por matemáticos.

Hardenbrook está se baseando em uma década de trabalho em lagoas de derretimento do Prof Golden e de ex-alunos e pesquisadores da universidade, adaptando o modelo clássico de Ising, que foi desenvolvido há mais de um século e explica como os materiais podem ganhar ou perder magnetismo, para modelar o derretimento. geometria da lagoa. “Espero tornar o modelo para o gelo marinho mais preciso fisicamente, para que possa ser colocado em modelos climáticos globais para criar uma abordagem mais precisa para lidar com as lagoas de derretimento, que têm um efeito surpreendente no albedo do Ártico”, explica ela.

Adicionando ao quadro geral

Os matemáticos já resolveram o enigma de como definir a largura da zona ondulante de gelo marinho marginal, que se estende desde o denso núcleo interno do gelo até as franjas externas, onde as ondas podem quebrar o gelo flutuante.

Court Strong, que é um cientista atmosférico e um dos colegas do professor Golden na Universidade de Utah, inspirou-se em uma fonte incomum: o córtex cerebral do cérebro de um rato. Ele percebeu que poderiam usar o mesmo método matemático para medir a largura da zona marginal de gelo e para medir a espessura do cérebro acidentado do roedor, que também apresenta muitas variações. Com a ajuda deste modelo simplificado, a equipa conseguiu demonstrar que a zona marginal de gelo aumentou cerca de 40% à medida que o nosso clima aqueceu.

O programa ACCESS da Universidade de Utah, incluindo sua pesquisa prática, imerge os alunos em um ambiente interdisciplinar onde a matemática faz parte de um cenário mais amplo. Encoraja a polinização cruzada, onde métodos e ideias de áreas da ciência aparentemente não relacionadas podem ser usados ​​para resolver problemas quando a matemática subjacente é essencialmente a mesma.

“Quando você se depara com uma situação incomum, você precisa de diferentes tipos de mentes para analisar um problema com clareza e encontrar soluções”, diz o professor Golden.

A perda de gelo marinho observada no Ártico ocorreu ao longo de apenas algumas décadas e continua a um ritmo alarmante.

“Precisamos de todos os bons cérebros e diferentes formas de pensar que pudermos obter, e precisamos deles rapidamente”, diz ele.

Este artigo foi revisado para a Universidade de Utah, Fundação Nacional de Ciência e Escritório de Pesquisa Naval por Elvis Bahati Orlendo, Fundação Internacional para a Ciência, Estocolmo e Dra. Magdalena Stoeva, FIOMP, FIUPESM.

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