Można by się spodziewać, że tak chwytająca za serce anegdota pochodzi od odkrywcy, ale dr Reimer jest matematykiem i wykładowcą na Uniwersytecie Utah, a także należy do społeczności, która zamieniła przytulne sale lekcyjne na najbardziej niegościnne dzikie tereny Ziemi , próbując wykorzystać liczby do zrozumienia globalnego ocieplenia.
Dzięki swoim przygodom mogą bezpośrednio obserwować procesy prowadzące do zmian w regionach polarnych i zweryfikować swoje matematyczne teorie dotyczące lodu morskiego i jego roli jako kluczowego elementu systemu klimatycznego Ziemi.
Od czasu wykonania pierwszych pomiarów satelitarnych grubość i zasięg lodu morskiego w Arktyce szybko się zmniejszyły 1979.
Lód morski to lodówka Ziemi, odbijająca światło słoneczne z powrotem w przestrzeń kosmiczną. Jego trwała obecność jest ważna dla przyszłości naszej planety, ponieważ w miarę topnienia większej ilości lodu odsłoniętego zostaje więcej ciemnej wody, która pochłania więcej światła słonecznego. Ta nagrzana słońcem woda topi więcej lodu w samonapędzającym się cyklu zwanym albedo lodowym informacja zwrotna.
Chociaż zanikanie lodu morskiego jest prawdopodobnie jedną z najbardziej widocznych zmian na dużą skalę związanych z ociepleniem planet na powierzchni Ziemi, analizowanie, modelowanie i przewidywanie jego zachowania oraz reakcji obsługiwanego przez niego układu polarnego jest niezwykle trudne, ale matematycy mogą pomóc.
Kenneth Golden, wybitny profesor matematyki i adiunkt inżynierii biomedycznej na Uniwersytecie Utah, w ciągu 30 lat stworzył unikalny program dotyczący lodu morskiego. Połączenie badań matematycznych, modelowania klimatu i ekscytujących wypraw terenowych przyciągnęło studentów i badaczy ze stopniem doktora, w tym dr Reimera, którzy koncentrują się na wykorzystaniu tego rodzaju nauk do pomocy w stawianiu czoła palącym wyzwaniom szybko zmieniającego się klimatu.
Dr Reimer badał, jak niedźwiedzie polarne i foki reagują na zmiany w zamarzniętym środowisku. Używając modeli matematycznych, aby zrozumieć interakcje między tymi stworzeniami a ich siedliskiem, wykonała także pomiary i próbki od niedźwiedzi w Arktyce, czego jako matematyk nigdy się nie spodziewała. „Kiedy są uspokajane, nie śpią całkowicie; są oszołomieni” – wyjaśnia. „Jeden z nich mnie przestraszył, ponieważ wydawało się, że w pewnym momencie może się obudzić”.
Doktor Reimer dokonuje pomiarów u uśpionego niedźwiedzia polarnego w Arktyce.
Kurczące się siedliska oznaczają, że niedźwiedzie polarne chodzą po cienkim lodzie, ale można mieć nadzieję, że badania takie jak badania dr Reimera pomogą ekspertom zrozumieć, jak chronić te majestatyczne drapieżniki.
Jednak teraz ekscytuje ją „oszałamiający” mikroskopijny świat bakterii i glonów żyjących w kieszeniach słonej wody wewnątrz lodu morskiego. Na tę społeczność biologiczną i jej siedlisko wpływają zmiany temperatury, zasolenia i światła, co utrudnia dokładne modelowanie. W swojej obecnej pracy dr Reimer konstruuje modele, aby zrozumieć, w jaki sposób te czynniki oddziałują na siebie i określić aktywność biologiczną w lodzie. „Zrozumienie, w jaki sposób procesy zachodzące na tak małą skalę przyczyniają się do wzorców na poziomie makro, ma kluczowe znaczenie dla modelowania wpływu ocieplającego się klimatu na ekologię mórz polarnych” – wyjaśnia.
Prof. Goldena interesuje wyzwanie polegające na zrozumieniu, w jaki sposób mikroskopijna struktura lodu morskiego wpływa na zachowanie ogromnych połaci lodu. Odwiedził ziemskie regiony polarne 18 razy, stawiając czoła zachodnim wiatrom znanym jako „ryczące czterdziestki”, aby dotrzeć statkiem na Antarktydę i o włos unikając zanurzenia się w lodowatej wodzie podczas pomiarów lodu morskiego. „Pewnego razu odwiedził mnie ogromny wieloryb znajdujący się w odległości około ośmiu stóp i jednym machnięciem ogona z łatwością mógł złamać cienką krę, na której się znajdowałem” – mówi.
Profesor Golden bada mikrostrukturę lodu morskiego, aby obliczyć, jak łatwo może przez niego przepływać płyn. „Lód morski jest słony. Ma porowatą mikrostrukturę wtrąceń solankowych, która bardzo różni się od lodu słodkowodnego” – mówi.
Profesor Golden kierował zespołami interdyscyplinarnymi w celu przewidzenia temperatury krytycznej, w której wtrącenia solankowe łączą się, aby płyn mógł przepływać przez lód morski, oraz w celu opracowania pierwszej techniki tomografii rentgenowskiej umożliwiającej analizę ewolucji geometrii wtrąceń wraz z temperaturą. „Zrozumienie, w jaki sposób woda morska przenika przez lód morski, jest jednym z kluczy do interpretacji wpływu zmian klimatycznych na polarne środowisko morskie” – wyjaśnia.
Odkrycie tego „włącznika/wyłącznika” pomogło naukowcom lepiej zrozumieć procesy, takie jak uzupełnianie składników odżywczych odżywiających społeczności glonów żyjących we wtrąceniach solankowych.
Badania profesora Golden pokazują, jak łatwo płyn może przepływać przez lód morski, który ma porowatą mikrostrukturę wtrąceń solanki (na zdjęciu). WF Weeks i A. Assur, CRREL (Laboratorium Badań i Inżynierii Zimnych Regionów Armii USA) Raport 269, 1969
Solanka zawarta w lodzie morskim wpływa również na jego sygnaturę radarową, co wpływa na pomiary satelitarne takich parametrów, jak grubość lodu, wykorzystywane do walidacji modeli klimatycznych. Modele te są ważne, ponieważ przewidują przyszłe zmiany w naszym klimacie i są wykorzystywane przez światowych przywódców i naukowców do opracowywania strategii łagodzących.
Różnorodność lodu stanowi wyzwanie, ale różnorodność wśród badaczy, nauczycieli i uczniów tworzy idealne środowisko dla świeżych pomysłów. W Stanach Zjednoczonych w 2015 r. kobietom przyznano zaledwie jedną czwartą stopni doktora w dziedzinie matematyki i informatyki, ale programy takie jak program realizowany na Uniwersytecie Utah DOSTĘP Program kształci utalentowane matematyczki, pomagając im odblokować możliwości, takie jak mentoring i praktyczne badania. Wyprawy do Arktyki nie tylko zapewniają studentom bogate doświadczenie, ale także zapewniają, że matematycy wraz z klimatologami i inżynierami biorą udział w najnowocześniejszych badaniach i rozwiązaniach.
Kiedy nie walczą z zamieciami, dr Reimer i profesor Golden pracują nad wspólnymi, interdyscyplinarnymi projektami i pełnią rolę mentorów dla studentek studiów licencjackich w ramach programu ACCESS. Po odświeżeniu komponentu matematyki w 2018 r. w celu uwzględnienia zmian klimatycznych profesor Golden zaobserwował mniej więcej trzykrotnie większą niż wcześniej liczbę studentów programu ACCESS zainteresowanych podjęciem studiów matematycznych lub stażem badawczym.
Rebecca Hardenbrook, jedna z doktorantek profesora Golden, mówi: „koncentrowanie się na palących kwestiach, takich jak zmiany klimatyczne, przyciąga do matematyki więcej ludzi, których chcemy, czyli wszystkich, ale w szczególności kobiety, osoby kolorowe i osoby queer; każdego z niedostatecznie reprezentowanego środowiska”.
Hardenbrook dołączyła do programu ACCESS jeszcze przed pierwszym rokiem studiów licencjackich, spędzając lato w laboratorium astrofizycznym, co otworzyło jej oczy na możliwość prowadzenia badań. „To naprawdę odmieniło życie” – mówi, między innymi dlatego, że po studiach licencjackich zdecydowała się na doktorat z matematyki u profesora Goldena.
Rebecca Hardenbrook uczy matematyki studentów na Uniwersytecie Utah w Salt Lake City.
Obecnie jako asystentka nauczyciela inspiruje młodszych uczniów w ramach programu ACCESS, a także modeluje stawy stopione, czyli zbiorniki wodne na lodzie morskim Arktyki. Stawy te odgrywają decydującą rolę w określaniu długoterminowego tempa topnienia pokrywy lodowej Morza Arktycznego, pochłaniając promieniowanie słoneczne zamiast je odbijać. W miarę jak rosną i łączą się ze sobą, przechodzą zmianę geometrii fraktalnej, skutecznie tworząc niekończący się wzór, który mogą modelować matematycy.
Hardenbrook opiera się na dziesięcioletnich pracach profesora Goldena oraz poprzednich studentów i badaczy uniwersytetu nad stawami stopionymi, dostosowując klasyczny model Isinga, który został opracowany ponad sto lat temu i wyjaśnia, w jaki sposób materiały mogą zyskiwać lub tracić magnetyzm, do modelowania stopu geometria stawu. „Mam nadzieję, że model lodu morskiego będzie bardziej precyzyjny pod względem fizycznym, aby można go było zastosować w globalnych modelach klimatycznych, aby stworzyć dokładniejsze podejście do problemu stawów stopionych, które mają zaskakujący wpływ na albedo Arktyki” – wyjaśnia.
Matematycy rozwiązali już zagadkę określenia szerokości pofałdowanej marginalnej strefy lodu morskiego, która rozciąga się od gęstego wewnętrznego rdzenia paku lodowego do zewnętrznych obrzeży, gdzie fale mogą rozbijać pływający lód.
Court Strong, badacz atmosfery i jeden z kolegów profesora Goldena na Uniwersytecie Utah, czerpał inspirację z niezwykłego źródła: kory mózgowej mózgu szczura. Uświadomił sobie, że do pomiaru szerokości krańcowej strefy lodowej można zastosować tę samą metodę matematyczną, co do pomiaru grubości wyboistego mózgu gryzonia, który również charakteryzuje się dużym zróżnicowaniem. Za pomocą tego uproszczonego modelu zespół był w stanie wykazać, że marginalna strefa lodowa poszerzyła się o około 40% w miarę ocieplania się naszego klimatu.
Program ACCESS Uniwersytetu Utah, obejmujący badania praktyczne, umożliwia studentom zanurzenie się w interdyscyplinarnym środowisku, w którym matematyka stanowi część szerszego obrazu. Zachęca do zapylenia krzyżowego, w ramach którego można zastosować metody i pomysły z pozornie niezwiązanych ze sobą dziedzin nauki do rozwiązywania problemów, gdy podstawowa matematyka jest zasadniczo taka sama.
„Kiedy znajdziesz się w niezwykłej sytuacji, potrzebujesz innego rodzaju umysłów, aby jasno spojrzeć na problem i znaleźć rozwiązania” – mówi profesor Golden.
Utrata lodu morskiego obserwowana w Arktyce nastąpiła na przestrzeni zaledwie kilku dziesięcioleci i postępuje w zastraszającym tempie.
„Potrzebujemy wszystkich zdrowych mózgów i różnych sposobów myślenia, jakie tylko możemy, i potrzebujemy ich szybko” – mówi.
Artykuł ten został zrecenzowany dla Uniwersytetu Utah, National Science Foundation i Office of Naval Research przez Elvisa Bahati Orlendo, International Foundation for Science, Sztokholm i dr Magdalenę Stoevę, FIOMP, FIUPESM.
Dowiedz się więcej o Zaangażuj się w V Międzynarodowy Rok Polarny 
Dowiedz się więcej o zaproszeniu do składania ofert na organizację Międzynarodowego Biura Koordynacyjnego IPY-5 | termin: 6 lutego 
Dowiedz się więcej o wezwaniu do utworzenia Komitetów Narodowych IPY-5 
