S-ar putea să vă așteptați ca o astfel de anecdotă care mușcă unghiile să vină de la un explorator, dar dr. Reimer este matematician și lector la Universitatea din Utah, precum și face parte dintr-o comunitate care a schimbat sălile de clasă confortabile cu unele dintre cele mai inospitaliere sălbăticii ale Pământului. , în încercarea de a folosi cifrele pentru a înțelege încălzirea globală.
Aventurile lor le permit să observe direct procesele care conduc schimbările în regiunile polare și să-și valideze teoriile matematice ale gheții marine și rolul acesteia ca componentă critică în sistemul climatic al Pământului.
O problemă complexă
Grosimea și întinderea gheții marine din Arctica a scăzut rapid de când au fost efectuate pentru prima dată măsurătorile prin satelit. 1979.
Gheața de mare este frigiderul Pământului, reflectând lumina soarelui înapoi în spațiu. Prezența sa de durată este importantă pentru viitorul planetei noastre, deoarece, pe măsură ce gheața se topește, este expusă mai multă apă întunecată care absoarbe mai multă lumină solară. Această apă încălzită de soare topește mai multă gheață într-un ciclu de auto-întărire numit albedo de gheață feedback-ul.
În timp ce declinul gheții marine este poate una dintre cele mai vizibile schimbări la scară largă legate de încălzirea planetară de pe suprafața Pământului, analiza, modelarea și prezicerea comportamentului acesteia și a răspunsului sistemului polar pe care îl sprijină este incredibil de dificilă, dar matematicienii pot ajuta.
Kenneth Golden, un distins profesor de matematică și profesor adjunct de inginerie biomedicală la Universitatea din Utah, a construit un program unic de gheață de mare de peste 30 de ani. Combinația sa de cercetare în matematică, modelare climatică și expediții interesante pe teren a atras studenți și cercetători postdoctorali, inclusiv Dr. Reimer, care se concentrează pe utilizarea acestui tip de știință pentru a ajuta la abordarea provocărilor stringente ale unui climat în schimbare rapidă.
Factorizarea animalelor
Dr. Reimer a studiat modul în care urșii polari și focile răspund la schimbările din mediul lor înghețat. În timp ce a folosit modele matematice pentru a înțelege interacțiunile dintre aceste creaturi și habitatul lor, ea a luat, de asemenea, măsurători și mostre de la urșii din Arctica, ceea ce nu se aștepta să facă niciodată ca matematician. „Nu dorm complet când sunt calmați; sunt amețiți”, explică ea. „Unul dintre ei m-a speriat pentru că părea că s-ar putea trezi la un moment dat.”
Dr. Reimer face măsurători de la un urs polar sedat din Arctica.
Habitatul lor în scădere înseamnă că urșii polari se plimbă pe gheață subțire, dar se speră că studii precum cele ale Dr. Reimer îi vor ajuta pe experți să înțeleagă cum să-i protejeze pe prădătorii maiestuoși.
Cu toate acestea, lumea microscopică „uimitoare” a bacteriilor și algelor care trăiesc în buzunarele de apă sărată din gheața de mare este cea care o excită acum. Această comunitate biologică și habitatul său sunt influențate de schimbările de temperatură, salinitate și lumină, ceea ce face dificilă modelarea cu acuratețe. În munca sa actuală, dr. Reimer construiește modele pentru a înțelege modul în care acești factori interacționează pentru a determina activitatea biologică în gheață. „Înțelegerea modului în care procesele la aceste scale mici contribuie la modelele la nivel macro este esențială pentru modelarea impactului încălzirii climatice asupra ecologiei marine polare”, explică ea.
Strângerea numerelor pe gheață sărată
Este provocarea de a înțelege modul în care structura microscopică a gheții marine afectează comportamentul întinderilor masive de gheață care îl interesează pe profesorul Golden. El a vizitat de 18 ori regiunile polare ale Pământului, înfruntând vânturile de vest cunoscute sub numele de „Roaring Patruzeci” pentru a ajunge în Antarctica cu o navă și evitând cu strictețe să se cufunde în apele înghețate în timp ce măsoară gheața de mare. „Odată am fost vizitat de o balenă uriașă la vreo opt metri distanță, care ar fi putut rupe cu ușurință bancul subțire pe care mă aflam cu o mișcare obișnuită din coadă”, spune el.
Prof. Golden studiază microstructura gheții marine pentru a calcula cât de ușor poate curge fluidul prin ea. „Gheața de mare este sărată. Are o microstructură poroasă de incluziuni de saramură, care este foarte diferită de gheața de apă dulce”, spune el.
Prof. Golden a condus echipe interdisciplinare pentru a prezice temperatura critică la care incluziunile de saramură se conectează, astfel încât fluidul să poată curge prin gheața de mare și pentru a dezvolta prima tehnică de tomografie cu raze X pentru a analiza modul în care geometria incluziunilor evoluează odată cu temperatura. „Înțelegerea modului în care apa de mare se infiltrează prin gheața de mare este una dintre cheile pentru interpretarea modului în care se vor produce schimbările climatice în mediul marin polar”, explică el.
Descoperirea acestui „comutator pornit-oprit” i-a ajutat pe oamenii de știință să înțeleagă mai bine procese, cum ar fi modul în care nutrienții care hrănesc comunitățile de alge care trăiesc în incluziunile de saramură sunt reumpleți.
Studiile profesorului Golden arată cât de ușor poate curge fluidul prin gheața de mare, care are o microstructură poroasă de incluziuni de saramură (foto). WF Weeks și A. Assur, CRREL (US Army Cold Regions Research and Engineering Lab) Raport 269, 1969
Saramura din gheața de mare îi afectează, de asemenea, semnătura radarului, care afectează măsurătorile prin satelit ale unor parametri precum grosimea gheții utilizate pentru validarea modelelor climatice. Aceste modele sunt importante deoarece prezic schimbările viitoare ale climei noastre și sunt folosite de liderii mondiali și oamenii de știință pentru a veni cu strategii de atenuare.
A intra inauntru de la frig
Varietatea gheții reprezintă o provocare, dar diversitatea dintre cercetători, profesori și studenți creează mediul perfect pentru idei proaspete. În SUA, doar un sfert din diplomele de doctorat în matematică și informatică au fost acordate femeilor în 2015, dar scheme precum cea a Universității din Utah ACCES programul hrănesc femeile matematiciene talentate, ajutându-le să deblocheze oportunități precum mentorat și cercetare practică. Expedițiile în Arctica nu numai că oferă studenților o experiență ridicată, dar asigură că matematicienii sunt implicați în cercetări și soluții de ultimă oră, alături de oamenii de știință și inginerii climatici.
Când nu se luptă cu viscolele, Dr. Reimer și Prof. Golden lucrează la proiecte interdisciplinare de colaborare și comentorează studenții de licență ca parte a programului ACCESS. După ce a reîmprospătat componenta de matematică în 2018 pentru a include schimbările climatice, profesorul Golden a observat că se triplează numărul de studenți ACCESS interesați să urmeze o specializare în matematică sau un stagiu de cercetare decât înainte.
Rebecca Hardenbrook, care este una dintre studenții doctoranzi ai profesorului Golden, spune: „concentrarea pe probleme stringente precum schimbările climatice atrage mai mulți oameni pe care îi dorim în matematică, care sunt toată lumea, dar în special femei, oameni de culoare, oameni queer; oricine dintr-un mediu subreprezentat.”
Punerea în comun a resurselor
Hardenbrook s-a alăturat programului ACCESS înainte de primul an ca student, petrecând vara într-un laborator de astrofizică, ceea ce i-a deschis ochii asupra posibilității de a face cercetări. „A fost într-adevăr o schimbare în viață”, spune ea, nu în ultimul rând pentru că a decis să urmeze un doctorat în matematică cu profesorul Golden, după ce a studiat transportul termic prin gheața de mare ca studentă.
Rebecca Hardenbrook predă matematică studenților de la Universitatea din Utah din Salt Lake City.
Ea inspiră acum studenții mai tineri în schema ACCESS ca asistent didactic, precum și modelarea iazurilor de topire, care sunt bazine de apă pe gheața arctică. Aceste iazuri joacă un rol decisiv în determinarea ratelor de topire pe termen lung a stratului de gheață arctică prin absorbția radiației solare în loc să o reflecte. Pe măsură ce cresc și se unesc, ei trec printr-o tranziție în geometria fractală, creând efectiv un model fără sfârșit care poate fi modelat de matematicieni.
Hardenbrook se bazează pe un deceniu de muncă asupra iazurilor de topire de către profesorul Golden și foști studenți și cercetători de la universitate, adaptând modelul clasic Ising, care a fost dezvoltat cu mai bine de un secol în urmă și explică modul în care materialele pot câștiga sau pierde magnetism, pentru a modela topirea. geometria iazului. „Sper să fac modelul pentru gheața de mare mai precis din punct de vedere fizic, astfel încât să poată fi introdus în modele climatice globale pentru a crea o abordare mai precisă de abordare a iazurilor de topire, care au un efect surprinzător asupra albedo-ului Arcticii”, explică ea.
Adăugând la imaginea de ansamblu
Matematicienii au rezolvat deja problema modului de definire a lățimii zonei marginale de gheață de mare ondulată, care se extinde de la miezul interior dens de gheață până la marginile exterioare, unde valurile pot sparge gheața plutitoare.
Court Strong, care este un om de știință atmosferic și unul dintre colegii profesorului Golden de la Universitatea din Utah, s-a inspirat dintr-o sursă neobișnuită: cortexul cerebral al creierului unui șobolan. El și-a dat seama că ar putea folosi aceeași metodă matematică pentru a măsura lățimea zonei marginale de gheață ca și pentru măsurarea grosimii creierului accidentat al rozătoarelor, care are, de asemenea, multe variații. Cu ajutorul acestui model simplificat, echipa a reușit să demonstreze că zona marginală de gheață s-a lărgit cu aproximativ 40% pe măsură ce clima noastră sa încălzit.
Schema ACCESS a universității din Utah, inclusiv cercetarea sa practică, scufundă studenții într-un mediu interdisciplinar în care matematica face parte dintr-o imagine de ansamblu. Încurajează polenizarea încrucișată, unde metodele și ideile din domenii aparent neînrudite ale științei pot fi folosite pentru a rezolva probleme atunci când matematica de bază este în esență aceeași.
„Când vi se prezintă o situație neobișnuită, aveți nevoie de diferite tipuri de minți pentru a privi clar o problemă și a găsi soluții”, spune profesorul Golden.
Pierderea gheții marine observată în Arctica s-a produs în doar câteva decenii și continuă într-un ritm alarmant.
„Avem nevoie de toate creierele bune și de diferite moduri de a gândi pe care le putem obține și avem nevoie de ele rapid”, spune el.
Acest articol a fost revizuit pentru Universitatea din Utah, Fundația Națională de Știință și Biroul de Cercetare Navală de către Elvis Bahati Orlendo, Fundația Internațională pentru Știință, Stockholm și Dr Magdalena Stoeva, FIOMP, FIUPESM.
