Morda bi pričakovali, da bo takšno anekdoto, ki grize žeblje, prišla od raziskovalca, toda dr. Reimer je matematik in predavatelj na Univerzi v Utahu, poleg tega pa je del skupnosti, ki je udobne učilnice zamenjala za nekatere najbolj negostoljubne divjine na Zemlji. , da bi s številkami razumeli globalno segrevanje.
Njihove pustolovščine jim omogočajo, da iz prve roke opazujejo procese, ki poganjajo spremembe v polarnih območjih, in potrdijo svoje matematične teorije o morskem ledu in njegovi vlogi kot kritične komponente v podnebnem sistemu Zemlje.
Debelina in obseg morskega ledu na Arktiki sta se hitro zmanjšala, odkar so bile prvič opravljene satelitske meritve leta 1979.
Morski led je zemeljski hladilnik, ki odbija sončno svetlobo nazaj v vesolje. Njegova trajna prisotnost je pomembna za prihodnost našega planeta, saj ko se več ledu topi, je izpostavljenih več temne vode, ki absorbira več sončne svetlobe. Ta od sonca segreta voda topi več ledu v samookrepitvenem ciklu, imenovanem ledeni albedo povratne informacije.
Medtem ko je zmanjševanje morskega ledu morda ena najvidnejših obsežnih sprememb, povezanih s planetarnim segrevanjem na površju Zemlje, je analiziranje, modeliranje in napovedovanje njegovega vedenja in odziva polarnega sistema, ki ga podpira, izjemno težko, vendar lahko matematiki pomagajo.
Kenneth Golden, ugledni profesor matematike in izredni profesor biomedicinskega inženirstva na Univerzi v Utahu, je v 30 letih zgradil edinstven program za morski led. Njegova kombinacija matematičnih raziskav, modeliranja podnebja in vznemirljivih terenskih ekspedicij je pritegnila študente in podoktorske raziskovalce, vključno z dr. Reimerjem, ki so osredotočeni na uporabo te vrste znanosti za pomoč pri spopadanju s perečimi izzivi hitro spreminjajočega se podnebja.
Reimer je proučeval, kako se polarni medvedi in tjulnji odzivajo na spremembe v njihovem zamrznjenem okolju. Medtem ko je uporabljala matematične modele za razumevanje interakcij med temi bitji in njihovim življenjskim prostorom, je vzela tudi meritve in vzorce od medvedov na Arktiki, česar kot matematik nikoli ni pričakovala. »Ko so pomirjeni, ne spijo povsem; so omamljeni,« pojasnjuje. "Eden od njih me je prestrašil, ker se je zdelo, kot da bi se lahko na neki točki zbudil."
Dr. Reimer meri meritve pomirjenega polarnega medveda na Arktiki.
Njihov habitat, ki se zmanjšuje, pomeni, da severni medvedi hodijo po tankem ledu, vendar upamo, da bodo študije, kot je dr. Reimer, pomagale strokovnjakom razumeti, kako zaščititi te veličastne plenilce.
Vendar pa jo zdaj navdušuje »osupljiv« mikroskopski svet bakterij in alg, ki živijo v žepih slane vode znotraj morskega ledu. Na to biološko skupnost in njen habitat vplivajo spremembe temperature, slanosti in svetlobe, zaradi česar je težko natančno modelirati. V svojem trenutnem delu dr. Reimer gradi modele, da bi razumela, kako ti dejavniki medsebojno delujejo, da bi določili biološko aktivnost v ledu. "Razumevanje, kako procesi na teh majhnih lestvicah prispevajo k vzorcem na makroravni, je ključnega pomena za modeliranje vpliva segrevanja podnebja na polarno morsko ekologijo," pojasnjuje.
Profesorja Goldena zanima izziv razumevanja, kako mikroskopska struktura morskega ledu vpliva na obnašanje ogromnih površin ledu. Zemeljska polarna območja je obiskal 18-krat, se upiral zahodnim vetrovom, znanim kot »rojoča štirideseta«, da bi z ladjo dosegel Antarktiko in se med merjenjem morskega ledu komaj izognil skoku v ledene vode. »Nekoč me je približno osem metrov stran obiskal ogromen kit, ki bi z ležernim zamahom z repom zlahka zlomil tanko ploščo, na kateri sem bil,« pravi.
Profesor Golden proučuje mikrostrukturo morskega ledu, da bi izračunal, kako enostavno lahko tekočina teče skozenj. »Morski led je slan. Ima porozno mikrostrukturo vključkov slanice, ki se zelo razlikuje od sladkovodnega ledu,« pravi.
Profesor Golden je vodil interdisciplinarne ekipe pri napovedovanju kritične temperature, pri kateri se vključki slanice povežejo, tako da lahko tekočina teče skozi morski led, in pri razvoju prve tehnike rentgenske tomografije za analizo, kako se geometrija vključkov razvija s temperaturo. "Razumevanje, kako morska voda pronica skozi morski led, je eden od ključev za razlago, kako se bodo podnebne spremembe odvijale v polarnem morskem okolju," pojasnjuje.
Odkritje tega "stikala za vklop in izklop" je znanstvenikom pomagalo bolje razumeti procese, kot je na primer, kako se obnavljajo hranila, ki hranijo skupnosti alg, ki živijo v vključkih slanice.
Študije profesorja Goldena kažejo, kako lahko tekočina teče skozi morski led, ki ima porozno mikrostrukturo vključkov slanice (na sliki). WF Weeks in A. Assur, CRREL (Laboratorij za raziskave in inženiring hladnih regij ameriške vojske) poročilo 269, 1969
Slanica v morskem ledu vpliva tudi na njegov radarski podpis, ki vpliva na satelitske meritve parametrov, kot je debelina ledu, ki se uporabljajo za potrjevanje podnebnih modelov. Ti modeli so pomembni, ker napovedujejo prihodnje spremembe našega podnebja in jih svetovni voditelji in znanstveniki uporabljajo za pripravo strategij ublažitve.
Raznolikost ledu predstavlja izziv, vendar raznolikost med raziskovalci, učitelji in študenti ustvarja popolno okolje za sveže ideje. V ZDA je bila leta 2015 samo ena četrtina doktorskih diplom iz matematike in računalništva podeljena ženskam, vendar sheme, kot je na Univerzi v Utahu DOSTOP vzgajajo nadarjene matematike tako, da jim pomagajo odpreti priložnosti, kot so mentorstvo in praktične raziskave. Odprave na Arktiko študentom ne nudijo samo vrhunske izkušnje, temveč zagotavljajo, da so matematiki vključeni v vrhunske raziskave in rešitve, poleg podnebnih znanstvenikov in inženirjev.
Ko se ne spopadata s snežnimi nevihtami, dr. Reimer in prof. Golden delata na skupnih, interdisciplinarnih projektih in somentorja študentkam dodiplomskega študija v okviru programa ACCESS. Po osvežitvi matematične komponente leta 2018, da bi vključila podnebne spremembe, je profesor Golden opazil, da se je število študentov ACCESS, ki jih zanima študij matematike ali raziskovalna praksa, približno potrojilo kot prej.
Rebecca Hardenbrook, ki je ena od doktorskih študentk profesorja Goldena, pravi: »osredotočanje na pereča vprašanja, kot so podnebne spremembe, privabi k matematiki več ljudi, ki si jih želimo, to so vsi, še posebej pa ženske, temnopolti ljudje, queer ljudje; kdorkoli iz premalo zastopanega okolja.«
Hardenbrookova se je pridružila programu ACCESS pred svojim prvim letom dodiplomskega študija in preživela poletje v laboratoriju za astrofiziko, kar ji je odprlo oči za možnost raziskovanja. »Resnično ji je spremenilo življenje,« pravi, nenazadnje tudi zato, ker se je odločila nadaljevati doktorat iz matematike pri profesorju Goldenu, potem ko je kot dodiplomski študij študirala toplotni transport skozi morski led.
Rebecca Hardenbrook poučuje matematiko študentom na Univerzi Utah v Salt Lake Cityju.
Zdaj kot pomočnica pri poučevanju navdušuje mlajše učence za shemo ACCESS, prav tako pa modelira talilne jezerce, ki so bazeni vode na arktičnem morskem ledu. Ti ribniki imajo odločilno vlogo pri določanju dolgoročnih stopenj taljenja arktičnega morskega ledu, saj absorbirajo sončno sevanje, namesto da ga odbijajo. Ko rastejo in se združujejo, so podvržene prehodu v fraktalni geometriji, kar dejansko ustvarja neskončen vzorec, ki ga lahko modelirajo matematiki.
Hardenbrook nadgrajuje desetletje dela profesorja Goldena in prejšnjih študentov ter raziskovalcev na univerzi na talilnih bazenih s prilagoditvijo klasičnega Isingovega modela, ki je bil razvit pred več kot stoletjem in pojasnjuje, kako lahko materiali pridobijo ali izgubijo magnetizem, za modeliranje taline. geometrija ribnika. "Upam, da bom naredila model za morski led bolj fizično natančen, tako da ga bo mogoče vključiti v globalne podnebne modele, da bi ustvarili natančnejši pristop k obravnavanju talilnih ribnikov, ki imajo presenetljiv učinek na albedo Arktike," pojasnjuje.
Matematiki so že rešili uganko, kako definirati širino valovite obrobne cone morskega ledu, ki sega od gostega notranjega jedra pakiranega ledu do zunanjih robov, kjer lahko valovi zlomijo plavajoči led.
Court Strong, ki je atmosferski znanstvenik in eden od kolegov profesorja Goldena na Univerzi v Utahu, je črpal navdih iz nenavadnega vira: možganske skorje podganjih možganov. Ugotovil je, da bi lahko uporabili isto matematično metodo za merjenje širine obrobnega ledenega območja kot za merjenje debeline grbastih možganov glodalca, ki ima prav tako veliko variacij. S pomočjo tega poenostavljenega modela je ekipa lahko dokazala, da se je obrobno območje ledu razširilo za približno 40 %, ko se je naše podnebje segrelo.
Shema ACCESS univerze v Utahu, vključno z njenimi praktičnimi raziskavami, potopi študente v interdisciplinarno okolje, kjer je matematika del širše slike. Spodbuja navzkrižno opraševanje, kjer se lahko metode in ideje z na videz nepovezanih področij znanosti uporabijo za reševanje problemov, ko je osnovna matematika v bistvu enaka.
"Ko se znajdete v nenavadni situaciji, potrebujete različne vrste uma, da jasno pogledate na problem in najdete rešitve," pravi prof. Golden.
Izguba morskega ledu na Arktiki se je zgodila v samo nekaj desetletjih in se nadaljuje z alarmantno hitrostjo.
»Potrebujemo vse dobre možgane in različne načine razmišljanja, ki jih lahko dobimo, in potrebujemo jih hitro,« pravi.
Ta članek sta za Univerzo v Utahu, Nacionalno znanstveno fundacijo in Urad za pomorske raziskave pregledala Elvis Bahati Orlendo, Mednarodna fundacija za znanost, Stockholm, in dr. Magdalena Stoeva, FIOMP, FIUPESM.
Preberite več o tem, kako se vključiti v 5. mednarodno polarno leto 
Več o razpisu za gostovanje mednarodnega koordinacijskega urada IPY-5 | rok: 6. februar Več o pozivu k nacionalnim odborom za IPY-5 
