Ви могли б очікувати, що такий грізний анекдот прийде від дослідника, але доктор Реймер є математиком і викладачем Університету Юти, а також є частиною спільноти, яка замінила затишні класні кімнати на деякі з найбільш негостинних диких місць Землі. , намагаючись використовувати цифри для розуміння глобального потепління.
Їхні пригоди дозволяють їм на власні очі спостерігати за процесами, що викликають зміни в полярних регіонах, і підтверджувати свої математичні теорії морського льоду та його ролі як критичного компонента кліматичної системи Землі.
Складна проблема
Товщина та площа морського льоду в Арктиці швидко зменшилися після того, як уперше були проведені супутникові вимірювання в 1979.
Морський лід — це холодильник Землі, який відбиває сонячне світло назад у космос. Його тривала присутність важлива для майбутнього нашої планети, тому що в міру того, як тане більше льоду, відкривається більше темної води, яка поглинає більше сонячного світла. Ця нагріта сонцем вода розтоплює більше льоду в циклі самозміцнення, який називається альбедо льоду зворотний зв'язок.
Хоча зменшення рівня морського льоду є, мабуть, однією з найбільш помітних великомасштабних змін, пов’язаних із планетарним потеплінням на поверхні Землі, аналізувати, моделювати та прогнозувати його поведінку та реакцію полярної системи, яку він підтримує, неймовірно складно, але математики можуть допомогти.
Кеннет Голден, видатний професор математики та ад’юнкт-професор біомедичної інженерії в Університеті Юти, розробляв унікальну програму морського льоду протягом 30 років. Його поєднання математичних досліджень, моделювання клімату та захоплюючих польових експедицій привернуло студентів і докторантів, у тому числі доктора Реймера, які зосереджені на використанні цього типу науки для вирішення нагальних проблем клімату, що швидко змінюється.
Факторинг тварин
Доктор Реймер досліджував, як білі ведмеді та тюлені реагують на зміни в замерзлому середовищі. Хоча вона використовувала математичні моделі, щоб зрозуміти взаємодію між цими істотами та їх середовищем проживання, вона також брала вимірювання та зразки у ведмедів в Арктиці, чого вона ніколи не очікувала робити як математик. «Вони не повністю сплять, коли їх заспокоюють; вони дурні», — пояснює вона. «Один із них налякав мене, тому що здавалося, що в якийсь момент він може прокинутися».
Доктор Реймер проводить вимірювання у заспокійливого білого ведмедя в Арктиці.
Через скорочення середовища проживання білі ведмеді ходять по тонкому льоду, але є надія, що дослідження, подібні до дослідження доктора Реймера, допоможуть експертам зрозуміти, як захистити цих величних хижаків.
Однак зараз її хвилює «запаморочливий» мікроскопічний світ бактерій і водоростей, які живуть у кишенях солоної води всередині морського льоду. На це біологічне співтовариство та його середовище проживання впливають зміни температури, солоності та світла, що ускладнює точне моделювання. У своїй поточній роботі доктор Реймер будує моделі, щоб зрозуміти, як ці фактори взаємодіють, щоб визначити біологічну активність у льоду. «Розуміння того, як процеси в цих малих масштабах впливають на моделі макрорівня, має вирішальне значення для моделювання впливу потепління клімату на полярну морську екологію», — пояснює вона.
Хрускіт цифр на солоному льоду
Саме проблема розуміння того, як мікроскопічна структура морського льоду впливає на поведінку величезних просторів льоду, цікавить професора Голдена. Він 18 разів відвідував полярні регіони Землі, витримуючи західні вітри, відомі як «Ревучі сорокові», щоб дістатися до Антарктиди на кораблі та ледве уникнувши занурення в крижані води під час вимірювання морського льоду. «Одного разу до мене завітав величезний кит на відстані близько восьми футів, який легко міг зламати тонку льодину, на якій я був, випадковим помахом хвоста», — каже він.
Професор Голден вивчає мікроструктуру морського льоду, щоб обчислити, наскільки легко рідина може протікати через нього. «Морський лід солоний. Він має пористу мікроструктуру з розсолу, яка дуже відрізняється від прісноводного льоду», — говорить він.
Професор Голден очолив міждисциплінарні команди, щоб передбачити критичну температуру, за якої включення розсолу з’єднуються, щоб рідина могла протікати через морський лід, і розробити першу техніку рентгенівської томографії для аналізу того, як геометрія включень змінюється з температурою. «Розуміння того, як морська вода просочується крізь морський лід, є одним із ключів до інтерпретації того, як зміни клімату відбуватимуться в полярному морському середовищі», — пояснює він.
Відкриття цього «вимикача» допомогло вченим краще зрозуміти такі процеси, як поповнення поживними речовинами, які живлять спільноти водоростей, що живуть у розсолах.
Дослідження професора Голдена показують, наскільки легко рідина може протікати через морський лід, який має пористу мікроструктуру з розсолу (на фото). WF Weeks і A. Assur, CRREL (Дослідницька та інженерна лабораторія холодних регіонів армії США), звіт 269, 1969 р.
Розсіл у морському льоду також впливає на його радіолокаційну сигнатуру, яка впливає на супутникові вимірювання параметрів, таких як товщина льоду, які використовуються для перевірки кліматичних моделей. Ці моделі важливі, оскільки вони передбачають майбутні зміни нашого клімату та використовуються світовими лідерами та вченими для розробки стратегій пом’якшення.
Приходить з холоду
Різноманітність льоду є проблемою, але різноманітність серед дослідників, викладачів і студентів створює ідеальне середовище для свіжих ідей. У США лише чверть докторських ступенів з математики та комп’ютерних наук у 2015 році було присуджено жінкам, але такі програми, як Університет Юти ДОСТУП програма виховує талановитих жінок-математиків, допомагаючи їм відкрити такі можливості, як наставництво та практичні дослідження. Експедиції в Арктику не тільки дають студентам чудовий досвід, але й гарантують, що математики залучені до передових досліджень і рішень разом із кліматологами та інженерами.
Коли вони не борються з хуртовинами, доктор Реймер і професор Голден працюють над спільними міждисциплінарними проектами та є наставниками студенток бакалаврату в рамках програми ACCESS. Після оновлення математичного компоненту в 2018 році, щоб включити зміну клімату, професор Голден побачив, що кількість студентів ACCESS, зацікавлених у навчанні на математиці чи дослідженні, збільшилася приблизно втричі, ніж раніше.
Ребекка Харденбрук, яка є аспіранткою професора Голдена, каже: «зосередження на нагальних проблемах, як-от зміна клімату, приваблює більше людей, яких ми хочемо, до математики, тобто всіх, але особливо жінок, кольорових людей, дивних людей; будь-хто з недостатньо представленого середовища».
Об'єднання ресурсів
Харденбрук приєдналася до програми ACCESS напередодні свого першого року навчання, провівши літо в астрофізичній лабораторії, що відкрило їй очі на можливість проводити дослідження. «Це дійсно змінило життя», — каже вона, не в останню чергу тому, що вона вирішила отримати ступінь доктора філософії з математики у професора Голдена після того, як вивчала теплове переміщення через морський лід у якості студента.
Ребекка Харденбрук викладає математику студентам Університету Юти в Солт-Лейк-Сіті.
Зараз вона надихає молодших школярів на схему ACCESS як асистент викладача, а також моделює талі ставки, які є водоймами на морському льоду Арктики. Ці водойми відіграють вирішальну роль у визначенні тривалої швидкості танення арктичного морського льоду, поглинаючи сонячне випромінювання, а не відбиваючи його. Коли вони ростуть і об’єднуються, вони зазнають переходу у фрактальну геометрію, фактично створюючи нескінченний візерунок, який можуть моделювати математики.
Харденбрук спирається на десятирічну роботу професора Голдена та попередніх студентів і дослідників університету над водоймами для плавлення, адаптувавши класичну модель Ізінга, яка була розроблена понад століття тому та пояснює, як матеріали можуть набувати або втрачати магнетизм, щоб моделювати розплав геометрія ставка. «Я сподіваюся зробити модель морського льоду фізично точнішою, щоб її можна було використати в глобальних кліматичних моделях, щоб створити точніший підхід до вирішення проблем талих водойм, які дивовижно впливають на альбедо Арктики», — пояснює вона.
Додавання до загальної картини
Математики вже розгадали головоломку, як визначити ширину хвилястої маргінальної зони морського льоду, яка простягається від щільного внутрішнього ядра пакового льоду до зовнішніх країв, де хвилі можуть розбити плаваючий лід.
Корт Стронг, дослідник атмосфери та один із колег професора Голдена в Університеті Юти, черпав натхнення з незвичайного джерела: кори головного мозку щура. Він зрозумів, що вони можуть використовувати той самий математичний метод для вимірювання ширини крайової крижаної зони, як і для вимірювання товщини горбистого мозку гризуна, який також має багато варіацій. За допомогою цієї спрощеної моделі команда змогла продемонструвати, що маргінальна зона льоду розширилася приблизно на 40% із потеплінням нашого клімату.
Схема ACCESS Університету Юти, включаючи її практичні дослідження, занурює студентів у міждисциплінарне середовище, де математика є частиною більшої картини. Це заохочує перехресне запилення, коли методи та ідеї з, здавалося б, не пов’язаних галузей науки можуть бути використані для вирішення проблем, коли основна математика по суті однакова.
«Коли ви опинилися в незвичайній ситуації, вам потрібен інший тип розуму, щоб чітко поглянути на проблему та знайти рішення», — каже професор Голден.
Втрата морського льоду в Арктиці відбулася лише за кілька десятиліть і продовжується тривожними темпами.
«Нам потрібні всі хороші мізки та різні способи мислення, які ми можемо отримати, і нам вони потрібні швидко», — каже він.
Цю статтю рецензували для Університету Юти, Національного наукового фонду та Управління військово-морських досліджень Елвіс Бахаті Орлендо, Міжнародний фонд науки, Стокгольм, і доктор Магдалена Стоєва, FIOMP, FIUPESM.
