Možda biste očekivali da će takva anegdota koja grize nokte doći od istraživača, ali dr Reimer je matematičar i predavač na Univerzitetu Utah, kao i dio zajednice koja je zamijenila udobne učionice za neke od najnegostoljubivijih divljina na Zemlji. , u pokušaju korištenja brojeva za razumijevanje globalnog zagrijavanja.
Njihove avanture omogućavaju im da iz prve ruke posmatraju procese koji pokreću promjene u polarnim regijama i potvrde svoje matematičke teorije o morskom ledu i njegovoj ulozi kao kritičnoj komponenti u Zemljinom klimatskom sistemu.
Debljina i obim morskog leda na Arktiku se brzo smanjio otkako su satelitska mjerenja prvi put izvršena u 1979.
Morski led je Zemljin frižider koji reflektuje sunčevu svetlost nazad u svemir. Njegovo trajno prisustvo važno je za budućnost naše planete jer, kako se led topi, više je tamne vode izloženo koja upija više sunčeve svjetlosti. Ova voda zagrijana suncem topi još leda u ciklusu koji se samopojačava zvanom ledeni albedo povratne informacije.
Dok je smanjenje morskog leda možda jedna od najvidljivijih promjena velikih razmjera povezanih s planetarnim zagrijavanjem na površini Zemlje, analiziranje, modeliranje i predviđanje njegovog ponašanja i odgovora polarnog sistema koji podržava je nevjerovatno teško, ali matematičari mogu pomoći.
Kenneth Golden, ugledni profesor matematike i vanredni profesor biomedicinskog inženjerstva na Univerzitetu Utah, izgradio je jedinstveni program morskog leda više od 30 godina. Njegova kombinacija istraživanja matematike, klimatskog modeliranja i uzbudljivih ekspedicija na terenu, privukla je studente i postdoktorske istraživače, uključujući dr. Reimera, koji su fokusirani na korištenje ove vrste nauke kako bi pomogli u rješavanju hitnih izazova klime koja se brzo mijenja.
Dr Reimer je proučavao kako polarni medvjedi i foke reaguju na promjene u svom smrznutom okruženju. Dok je koristila matematičke modele kako bi razumjela interakcije između ovih stvorenja i njihovog staništa, također je uzimala mjerenja i uzorke od medvjeda na Arktiku, što kao matematičar nikada nije očekivala. „Oni ne spavaju potpuno kada su smireni; oni su grogi,” objašnjava ona. “Jedan od njih me je prestrašio jer mi se činilo da bi se u jednom trenutku mogao probuditi.”
Dr Reimer vrši mjerenja od sedativnog polarnog medvjeda na Arktiku.
Njihovo stanište koje se smanjuje znači da polarni medvjedi hodaju po tankom ledu, ali se nadamo da će studije poput Dr Reimera pomoći stručnjacima da shvate kako zaštititi veličanstvene grabežljivce.
Međutim, sada je uzbuđuje „zapanjujući“ mikroskopski svijet bakterija i algi koje žive u džepovima slane vode unutar morskog leda. Ova biološka zajednica i njeno stanište su pod utjecajem promjena temperature, saliniteta i svjetlosti, što otežava precizno modeliranje. U svom trenutnom radu, dr Reimer konstruiše modele kako bi razumela kako ovi faktori međusobno deluju kako bi odredili biološku aktivnost unutar leda. „Razumijevanje kako procesi na ovim malim razmjerima doprinose obrascima na makro nivou je ključno za modeliranje utjecaja klime zagrijavanja na polarnu ekologiju mora“, objašnjava ona.
Izazov razumijevanja kako mikroskopska struktura morskog leda utječe na ponašanje ogromnih ledenih prostranstava zanima profesora Goldena. Posjetio je polarne regione Zemlje 18 puta, hrabrivši se zapadnim vjetrovima poznatim kao "Rujeće četrdesete" da brodom stigne do Antarktika i za dlaku izbjegavajući uranjanje u ledene vode dok je mjerio morski led. “Jednom me je posjetio masivni kit udaljen oko osam stopa, koji je lako mogao slomiti tanku jabuku na kojoj sam se nalazio uz usputni pokret repa,” kaže on.
Profesor Golden proučava mikrostrukturu morskog leda kako bi izračunao koliko lako tečnost može da teče kroz njega. „Morski led je slan. Ima poroznu mikrostrukturu inkluzija slane vode koja se veoma razlikuje od slatkovodnog leda”, kaže on.
Profesor Golden je vodio interdisciplinarne timove da predvide kritičnu temperaturu na kojoj se inkluzije slane vode spajaju tako da tečnost može da teče kroz morski led, i da razviju prvu tehniku rendgenske tomografije za analizu kako se geometrija inkluzija razvija sa temperaturom. "Razumijevanje kako morska voda prodire kroz morski led jedan je od ključeva za tumačenje kako će se klimatske promjene odigrati u polarnom morskom okruženju", objašnjava on.
Otkrivanje ovog "prekidača za uključivanje-isključivanje" pomoglo je naučnicima da bolje razumiju procese kao što je način na koji se hranjive tvari koje hrane zajednice algi koje žive u inkluzijama slane vode obnavljaju.
Studije profesora Goldena pokazuju kako lako tekućina može teći kroz morski led, koji ima poroznu mikrostrukturu inkluzija slane vode (na slici). WF Weeks i A. Assur, CRREL (Laboratorija za istraživanje i inženjering hladnih regiona američke vojske) Izvještaj 269, 1969.
Slanica u morskom ledu također utječe na njegov radarski potpis, koji utiče na satelitska mjerenja parametara poput debljine leda koji se koriste za validaciju klimatskih modela. Ovi modeli su važni jer predviđaju buduće promjene naše klime i koriste ih svjetski lideri i naučnici kako bi osmislili strategije ublažavanja.
Raznolikost leda predstavlja izazov, ali raznolikost među istraživačima, nastavnicima i studentima stvara savršeno okruženje za svježe ideje. U SAD-u je samo jedna četvrtina doktorskih diploma iz matematike i računarskih nauka dodijeljena ženama 2015. godine, ali programi kao što je Univerzitet Utah ACCESS program njeguju talentovane matematičarke pomažući im da oslobode mogućnosti kao što su mentorstvo i praktična istraživanja. Ekspedicije na Arktik ne samo da studentima pružaju uzvišeno iskustvo, već osiguravaju da su matematičari uključeni u najsavremenija istraživanja i rješenja, zajedno sa naučnicima i inženjerima o klimi.
Kada se ne bore sa mećavama, dr Reimer i prof. Golden rade na kolaborativnim, interdisciplinarnim projektima i komentiraju studentice osnovnih studija u okviru programa ACCESS. Nakon što je 2018. godine osvježio matematičku komponentu kako bi uključio klimatske promjene, profesor Golden je vidio otprilike utrostručen broj studenata ACCESS-a koji su zainteresirani za studij matematike ili istraživačku praksu nego prije.
Rebecca Hardenbrook, koja je jedna od studenata doktorskih studija profesora Goldena, kaže: „Fokusiranje na hitna pitanja poput klimatskih promjena privlači više ljudi koje želimo u matematiku, a to su svi, ali posebno žene, obojeni ljudi, queer ljudi; bilo koga iz nedovoljno zastupljenog porijekla.”
Hardenbrook se pridružila programu ACCESS prije prve godine studija, provodeći ljeto u laboratoriju za astrofiziku, što joj je otvorilo oči za mogućnost istraživanja. „To je zaista promenilo život“, kaže ona, ne samo zato što je odlučila da nastavi doktorat iz matematike kod profesora Goldena nakon što je studirala termalni transport kroz morski led kao dodiplomski.
Rebecca Hardenbrook predaje matematiku studentima na Univerzitetu Utah u Salt Lake Cityju.
Ona sada inspiriše mlađe učenike na ACCESS šemi kao asistent u nastavi, kao i da modelira otopljena jezera, koja su bazeni vode na arktičkom morskom ledu. Ova jezera igraju odlučujuću ulogu u određivanju dugoročne stope topljenja arktičkog ledenog pokrivača tako što apsorbuju sunčevo zračenje umjesto da ga odbijaju. Kako rastu i spajaju se, prolaze kroz tranziciju u fraktalnoj geometriji, efektivno stvarajući beskrajni obrazac koji matematičari mogu modelirati.
Hardenbrook nadograđuje deceniju rada na topljenim ribnjacima profesora Goldena i prethodnih studenata i istraživača na univerzitetu prilagođavajući klasični Isingov model, koji je razvijen prije više od jednog stoljeća i objašnjava kako materijali mogu dobiti ili izgubiti magnetizam, za modeliranje topljenja. geometrija ribnjaka. „Nadam se da ću model morskog leda učiniti fizički preciznijim kako bi se mogao staviti u globalne klimatske modele kako bi se stvorio precizniji pristup rješavanju topljenih jezera, koja imaju iznenađujući učinak na albedo Arktika“, objašnjava ona.
Matematičari su već riješili zagonetku kako definirati širinu valovite rubne zone morskog leda, koja se proteže od gustog unutrašnjeg jezgra pakiranog leda do vanjskih rubova, gdje valovi mogu razbiti plutajući led.
Court Strong, koji je atmosferski naučnik i jedan od kolega profesora Goldena na Univerzitetu Utah, crpio je inspiraciju iz neobičnog izvora: cerebralnog korteksa mozga pacova. Shvatio je da bi mogli koristiti istu matematičku metodu za mjerenje širine marginalne ledene zone kao i za mjerenje debljine kvrgavog mozga glodara, koji također ima mnogo varijacija. Uz pomoć ovog pojednostavljenog modela, tim je uspio pokazati da se marginalna ledena zona proširila za oko 40% kako se naša klima zagrijala.
Program ACCESS Univerziteta u Utahu, uključujući njegovo praktično istraživanje, uranja studente u interdisciplinarno okruženje u kojem je matematika dio šire slike. Podstiče unakrsno oprašivanje, gdje se metode i ideje iz naizgled nepovezanih područja nauke mogu koristiti za rješavanje problema kada je osnovna matematika u suštini ista.
„Kada se nađete u neuobičajenoj situaciji, potrebne su vam različite vrste umova da jasno sagledate problem i dođete do rješenja“, kaže prof.
Gubitak morskog leda uočen na Arktiku dogodio se tokom samo nekoliko decenija i nastavlja se alarmantnom brzinom.
„Potreban nam je sav dobar mozak i različiti načini razmišljanja koje možemo dobiti, a potrebni su nam brzo“, kaže on.
Ovaj članak su recenzirali Elvis Bahati Orlendo, Međunarodna fondacija za nauku, Stockholm, i dr Magdalena Stoeva, FIOMP, FIUPESM za Univerzitet Utah, Nacionalnu naučnu fondaciju i Ured za pomorska istraživanja.
Pročitajte više o tome kako se uključiti u 5. Međunarodnu polarnu godinu 
Pročitajte više o Pozivu za ponude za domaćinstvo Međunarodnog koordinacionog ureda za IPY-5 | rok: 6. februar Pročitajte više o Pozivu za nacionalne komitete IPY-5 
