Вы могли бы ожидать, что такой острый анекдот исходит от исследователя, но доктор Реймер — математик и преподаватель Университета Юты, а также член сообщества, которое поменяло уютные классы на некоторые из самых негостеприимных диких мест Земли. , в попытке использовать цифры для понимания глобального потепления.
Их приключения позволяют им воочию наблюдать за процессами, вызывающими изменения в полярных регионах, и проверять свои математические теории морского льда и его роли как важнейшего компонента климатической системы Земли.
Сложная проблема
Толщина и протяженность морского льда в Арктике быстро сократились с тех пор, как были впервые проведены спутниковые измерения. 1979.
Морской лед — это холодильник Земли, отражающий солнечный свет обратно в космос. Его постоянное присутствие важно для будущего нашей планеты, потому что по мере таяния льда обнажается все больше темной воды, которая поглощает больше солнечного света. Эта нагретая солнцем вода тает еще больше льда в самоусиливающемся цикле, называемом альбедо льда. Обратная связь.
Хотя сокращение морского льда является, пожалуй, одним из наиболее заметных крупномасштабных изменений, связанных с планетарным потеплением на поверхности Земли, анализ, моделирование и прогнозирование его поведения и реакции полярной системы, которую он поддерживает, невероятно сложны, но математики могут помочь.
Кеннет Голден, выдающийся профессор математики и адъюнкт-профессор биомедицинской инженерии Университета Юты, за 30 лет разработал уникальную программу по морскому льду. Сочетание математических исследований, моделирования климата и захватывающих полевых экспедиций привлекло студентов и постдокторантов, в том числе доктора Реймера, которые сосредоточены на использовании этого вида науки для решения насущных проблем быстро меняющегося климата.
Факторинг животных
Доктор Реймер изучил, как белые медведи и тюлени реагируют на изменения в их замерзшей среде. Хотя она использовала математические модели, чтобы понять взаимодействие между этими существами и их средой обитания, она также проводила измерения и образцы у медведей в Арктике, чего она никогда не ожидала сделать как математик. «Они не спят полностью, когда их усыпляют; они пьяны», — объясняет она. «Один из них напугал меня, потому что казалось, что в какой-то момент он может проснуться».
Доктор Реймер снимает измерения с белого медведя в Арктике.
Сокращение среды обитания означает, что белые медведи ходят по тонкому льду, но есть надежда, что исследования, подобные исследованиям доктора Реймера, помогут экспертам понять, как защитить величественных хищников.
Однако теперь ее волнует «умопомрачительный» микроскопический мир бактерий и водорослей, живущих в карманах с соленой водой внутри морского льда. На это биологическое сообщество и его среду обитания влияют изменения температуры, солености и освещенности, что затрудняет точное моделирование. В своей нынешней работе доктор Реймер строит модели, чтобы понять, как эти факторы взаимодействуют и определяют биологическую активность во льду. «Понимание того, как процессы в этих небольших масштабах способствуют закономерностям на макроуровне, имеет решающее значение для моделирования воздействия потепления климата на полярную морскую экологию», — объясняет она.
Перемалывание чисел на соленом льду
Профессора Голдена интересует проблема понимания того, как микроскопическая структура морского льда влияет на поведение огромных ледяных пространств. Он посетил полярные регионы Земли 18 раз, преодолевая западные ветры, известные как «ревущие сороковые», и достигая Антарктиды на корабле, и едва избежав погружения в ледяные воды при измерении морского льда. «Однажды меня посетил огромный кит на расстоянии примерно восьми футов, который легко мог сломать тонкую льдина, на которой я находился, случайным взмахом хвоста», — говорит он.
Профессор Голден изучает микроструктуру морского льда, чтобы рассчитать, насколько легко жидкость может течь через него. «Морской лед соленый. Он имеет пористую микроструктуру с включениями рассола, которая сильно отличается от пресноводного льда», — говорит он.
Профессор Голден возглавил междисциплинарные группы, чтобы предсказать критическую температуру, при которой включения рассола соединяются, чтобы жидкость могла течь сквозь морской лед, и разработать первый метод рентгеновской томографии для анализа того, как геометрия включений меняется с температурой. «Понимание того, как морская вода просачивается сквозь морской лед, является одним из ключей к интерпретации того, как изменение климата повлияет на полярную морскую среду», — объясняет он.
Открытие этого «выключателя» помогло ученым лучше понять такие процессы, как восполнение питательных веществ, которые питают сообщества водорослей, живущие во включениях рассола.
Исследования профессора Голдена показывают, насколько легко жидкость может течь через морской лед, который имеет пористую микроструктуру с включениями рассола (на фото). У. Ф. Уикс и А. Ассур, CRREL (Исследовательская и инженерная лаборатория холодных регионов армии США), отчет 269, 1969 г.
Рассол в морском льду также влияет на его радиолокационную сигнатуру, которая влияет на спутниковые измерения таких параметров, как толщина льда, используемых для проверки климатических моделей. Эти модели важны, поскольку они предсказывают будущие изменения нашего климата и используются мировыми лидерами и учеными для разработки стратегий смягчения последствий.
Придя с холода
Разнообразие льда представляет собой проблему, но разнообразие среди исследователей, преподавателей и студентов создает идеальную среду для свежих идей. В США в 2015 году только четверть докторских степеней по математике и информатике была присуждена женщинам, но такие программы, как программа Университета Юты, ДОСТУП Программа воспитывает талантливых женщин-математиков, помогая им раскрыть такие возможности, как наставничество и практические исследования. Экспедиции в Арктику не только дают студентам новый опыт, но и позволяют математикам участвовать в передовых исследованиях и решениях вместе с учеными-климатологами и инженерами.
Когда доктор Реймер и профессор Голден не борются с снежными бурями, они работают над совместными междисциплинарными проектами и являются наставниками студенток бакалавриата в рамках программы ACCESS. После обновления математического компонента в 2018 году, включив в него изменение климата, профессор Голден увидел примерно в три раза больше студентов ACCESS, заинтересованных в изучении математики или исследовательской деятельности, чем раньше.
Ребекка Харденбрук, одна из аспирантов профессора Голдена, говорит: «Сосредоточение внимания на насущных проблемах, таких как изменение климата, привлекает в математику больше людей, которых мы хотим, то есть всех, но особенно женщин, цветных людей, странных людей; любой человек из недостаточно представленной среды».
Объединение ресурсов
Харденбрук присоединилась к программе ACCESS перед своим первым годом обучения, проведя лето в астрофизической лаборатории, что открыло ей глаза на возможность проведения исследований. «Это действительно изменило жизнь», — говорит она, не в последнюю очередь потому, что она решила получить докторскую степень по математике у профессора Голдена после изучения теплового переноса через морской лед, будучи студенткой.
Ребекка Харденбрук преподает математику студентам Университета Юты в Солт-Лейк-Сити.
Сейчас она вдохновляет младших школьников на схему ACCESS в качестве ассистента преподавателя, а также моделирует талые пруды, которые представляют собой лужи воды на арктическом морском льду. Эти пруды играют решающую роль в определении долгосрочных темпов таяния арктического морского ледяного покрова, поглощая солнечную радиацию, а не отражая ее. По мере того, как они растут и соединяются вместе, они претерпевают изменения во фрактальной геометрии, фактически создавая бесконечный узор, который могут моделировать математики.
Харденбрук опирается на десятилетнюю работу над плавильными прудами профессора Голдена и предыдущих студентов и исследователей университета, адаптируя классическую модель Изинга, которая была разработана более века назад и объясняет, как материалы могут приобретать или терять магнетизм, для моделирования плавления. геометрия пруда. «Я надеюсь сделать модель морского льда более физически точной, чтобы ее можно было использовать в моделях глобального климата и создать более точный подход к решению проблемы тающих прудов, которые оказывают удивительное влияние на альбедо Арктики», — объясняет она.
Добавляем к общей картине
Математики уже решили загадку, как определить ширину волнистой краевой зоны морского льда, которая простирается от плотного внутреннего ядра пакового льда до внешних границ, где волны могут разбить плавучий лед.
Корт Стронг, ученый-атмосферник и один из коллег профессора Голдена в Университете Юты, черпал вдохновение из необычного источника: коры головного мозга крысы. Он понял, что они могут использовать тот же математический метод для измерения ширины краевой зоны льда, что и для измерения толщины бугристого мозга грызунов, который также имеет множество вариаций. С помощью этой упрощенной модели команда смогла продемонстрировать, что краевая ледяная зона расширилась примерно на 40% по мере потепления климата.
Схема ACCESS Университета Юты, включая практические исследования, погружает студентов в междисциплинарную среду, где математика является частью более широкой картины. Он поощряет перекрестное опыление, когда методы и идеи из, казалось бы, несвязанных областей науки могут использоваться для решения проблем, когда лежащая в их основе математика по сути одна и та же.
«Когда вы попадаете в необычную ситуацию, вам нужны разные умы, чтобы ясно взглянуть на проблему и найти решения», — говорит профессор Голден.
Утрата морского льда в Арктике произошла всего за несколько десятилетий и продолжается тревожными темпами.
«Нам нужны все хорошие умы и разные способы мышления, которые мы можем получить, и они нужны нам быстро», — говорит он.
Эта статья была рецензирована для Университета Юты, Национального научного фонда и Управления военно-морских исследований Элвисом Бахати Орлендо, Международный фонд науки, Стокгольм, и доктором Магдаленой Стоевой, FIOMP, FIUPESM.
