你可能会以为这样一个扣人心弦的轶事来自一位探险家，但雷默博士是犹他大学的一名数学家和讲师，也是一个社区的一部分，这个社区已经从舒适的教室变成了地球上一些最荒凉的荒野，试图用数字来了解全球变暖。
他们的冒险经历使他们能够亲眼观察推动极地变化的过程，并验证他们关于海冰的数学理论及其作为地球气候系统关键组成部分的作用。
一个复杂的问题
自从首次进行卫星测量以来，北极海冰的厚度和范围迅速下降。 1979.
海冰是地球的冰箱，将阳光反射回太空。它的持久存在对我们星球的未来很重要，因为随着更多的冰融化，更多的黑水暴露出来，吸收更多的阳光。这种被阳光加热的水会在称为“冰反照率”的自我强化循环中融化更多的冰 反馈.
虽然海冰减少可能是与地球表面行星变暖有关的最明显的大规模变化之一，但分析、建模和预测其行为及其所支持的极地系统的响应非常困难，但数学家可以提供帮助。
犹他大学杰出数学教授兼生物医学工程兼职教授肯尼思·戈尔登 (Kenneth Golden) 30 多年来建立了一个独特的海冰项目。其将数学研究、气候建模和令人兴奋的实地考察相结合，吸引了学生和博士后研究人员，其中包括雷默博士，他们专注于利用此类科学来帮助应对快速变化的气候带来的紧迫挑战。
动物因素
雷默博士研究了北极熊和海豹如何应对冰冻环境的变化。虽然她使用数学模型来了解这些生物与其栖息地之间的相互作用，但她还对北极的熊进行了测量和样本，这是她作为一名数学家从未想到的事情。 “当他们处于镇静状态时，他们并没有完全睡着；他们只是在睡觉。”他们昏昏沉沉的，”她解释道。 “其中一个让我吓坏了，因为它似乎会在某个时候醒来。”
雷默博士对北极一只服用镇静剂的北极熊进行测量。
栖息地的缩小意味着北极熊如履薄冰，但希望像雷默博士这样的研究能够帮助专家了解如何保护这种强大的掠食者。
然而，现在令她兴奋的是生活在海冰内咸水袋中的细菌和藻类的“令人兴奋”的微观世界。该生物群落及其栖息地受到温度、盐度和光照变化的影响，因此难以准确建模。在她目前的工作中，雷默博士构建了模型来了解这些因素如何相互作用，从而确定冰内的生物活动。 “了解这些小尺度的过程如何影响宏观模式对于模拟气候变暖对极地海洋生态的影响至关重要，”她解释道。
在咸冰上咀嚼数字
戈尔登教授感兴趣的是理解海冰的微观结构如何影响大面积冰的行为的挑战。他曾18次访问地球的极地地区，冒着被称为“咆哮四十度”的西风乘船到达南极洲，并在测量海冰时险些掉进冰冷的水域。 “有一次，一头巨大的鲸鱼来到我身边，距离我大约八英尺，只要它尾巴轻轻一抖，它就能轻松地打破我所在的薄薄浮冰，”他说。
戈尔登教授研究海冰的微观结构，以计算流体流过海冰的难易程度。 “海冰是咸的。它具有盐水包裹体的多孔微观结构，这与淡水冰非常不同，”他说。
Golden 教授领导跨学科团队预测了盐水包裹体连接的临界温度，以便流体可以流过海冰，并开发了第一个 X 射线断层扫描技术来分析包裹体的几何形状如何随温度变化。 “了解海水如何渗透海冰是解释气候变化如何在极地海洋环境中发挥作用的关键之一，”他解释道。
发现这种“开关”有助于科学家更好地了解一些过程，例如如何补充生活在盐水包裹体中的藻类群落的营养物质。
戈尔登教授的研究表明，流体可以轻松地流过海冰，海冰具有盐水包裹体的多孔微观结构（如图）。 WF Weeks 和 A. Assur，CRREL（美国陆军寒冷地区研究与工程实验室）报告 269，1969 年
海冰中的盐水也会影响其雷达信号，从而影响卫星对用于验证气候模型的冰厚度等参数的测量。这些模型很重要，因为它们可以预测未来气候的变化，并被世界领导人和科学家用来制定缓解策略。
从寒冷中进来
冰的多样性带来了挑战，但研究人员、教师和学生的多样性为新想法创造了完美的环境。在美国，2015 年，只有四分之一的数学和计算机科学博士学位授予了女性，但犹他大学等项目 交通资讯 该计划通过帮助她们释放指导和实践研究等机会来培养有才华的女性数学家。北极探险不仅为学生提供了丰富的体验，还确保数学家与气候科学家和工程师一起参与尖端研究和解决方案。
当雷默博士和戈尔登教授不与暴风雪作斗争时，他们就会从事跨学科合作项目，并共同指导女本科生，作为 ACCESS 计划的一部分。 2018 年更新了数学部分，将气候变化纳入其中后，Golden 教授发现有兴趣选修数学专业或进行研究实习的 ACCESS 学生数量大约是以前的三倍。
戈尔登教授的博士生之一丽贝卡·哈登布鲁克 (Rebecca Hardenbrook) 表示：“关注气候变化等紧迫问题会吸引更多我们想要的人进入数学领域，他们是所有人，但特别是女性、有色人种、酷儿；任何来自代表性不足的背景的人。”
汇集资源
哈登布鲁克在本科一年级之前就加入了 ACCESS 项目，在天体物理实验室度过了暑假，这让她看到了从事研究的可能性。 “这确实改变了我的生活，”她说，尤其是因为她在本科阶段研究了海冰热传输后，进一步决定跟随戈尔登教授攻读数学博士学位。
丽贝卡·哈登布鲁克在盐湖城犹他大学向学生教授数学。
她现在作为助教，激励年轻学生参与 ACCESS 计划，并为融化池（北极海冰上的水池）建模。这些池塘通过吸收而不是反射太阳辐射，在确定北极海冰覆盖的长期融化速度方面发挥着决定性作用。随着它们的生长和结合，它们经历了分形几何的转变，有效地创建了数学家可以建模的永无止境的模式。
哈登布鲁克在戈尔登教授和大学以前的学生和研究人员十年来对熔体池的研究基础上，采用了一个多世纪前开发的经典伊辛模型来模拟熔体，该模型是一个多世纪前开发的，解释了材料如何获得或失去磁性。池塘几何形状。 “我希望使海冰模型在物理上更加精确，以便可以将其放入全球气候模型中，从而创建一种更准确的方法来解决融化池问题，融化池对北极的反照率有着令人惊讶的影响，”她解释道。
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数学家已经解决了如何定义波动边缘海冰区宽度的难题，该边缘海冰区从致密的浮冰内核延伸到波浪可以打破浮冰的外边缘。
考特·斯特朗是一位大气科学家，也是戈尔登教授在犹他大学的同事之一，他从一个不寻常的来源中获得了灵感：老鼠大脑的大脑皮层。他意识到他们可以使用与测量啮齿动物凹凸不平的大脑厚度相同的数学方法来测量边缘冰区的宽度，而大脑的厚度也有很大的变化。借助这个简化模型，研究小组能够证明，随着气候变暖，边缘冰区扩大了约 40%。
犹他大学的 ACCESS 计划（包括实践研究）让学生沉浸在跨学科环境中，数学是更广阔的前景的一部分。它鼓励异花授粉，当基础数学本质上相同时，可以使用看似不相关的科学领域的方法和思想来解决问题。
“当你遇到不寻常的情况时，你需要不同类型的头脑来清楚地看待问题并提出解决方案，”戈尔登教授说。
北极海冰的消失只发生了短短几十年，而且还在以惊人的速度持续下去。
“我们需要尽可能多的优秀大脑和不同的思维方式，而且我们需要尽快获得它们，”他说。
本文已由斯德哥尔摩国际科学基金会的 Elvis Bahati Orlendo 和 Magdalena Stoeva 博士、FIOMP、FIUPESM 为犹他大学、国家科学基金会和海军研究办公室审阅。
