Μπορεί να περιμένεις ότι ένα τέτοιο τραγικό ανέκδοτο θα προέρχεται από έναν εξερευνητή, αλλά ο Δρ. , σε μια προσπάθεια να χρησιμοποιήσουμε αριθμούς για να κατανοήσουμε την υπερθέρμανση του πλανήτη.
Οι περιπέτειές τους τους δίνουν τη δυνατότητα να παρατηρήσουν από πρώτο χέρι τις διαδικασίες που οδηγούν στην αλλαγή στις πολικές περιοχές και να επικυρώσουν τις μαθηματικές τους θεωρίες για τον θαλάσσιο πάγο και τον ρόλο του ως κρίσιμου συστατικού στο κλιματικό σύστημα της Γης.
Το πάχος και η έκταση του θαλάσσιου πάγου στην Αρκτική μειώθηκε γρήγορα από τότε που πραγματοποιήθηκαν για πρώτη φορά δορυφορικές μετρήσεις 1979.
Ο θαλάσσιος πάγος είναι το ψυγείο της Γης, που αντανακλά το φως του ήλιου πίσω στο διάστημα. Η διαρκής παρουσία του είναι σημαντική για το μέλλον του πλανήτη μας, επειδή, καθώς λιώνουν περισσότεροι πάγοι, εκτίθεται περισσότερο σκοτεινό νερό που απορροφά περισσότερο ηλιακό φως. Αυτό το ζεστό από τον ήλιο νερό λιώνει περισσότερο πάγο σε έναν αυτοενισχυόμενο κύκλο που ονομάζεται ice albedo ανατροφοδότηση.
Ενώ η πτώση του θαλάσσιου πάγου είναι ίσως μια από τις πιο ορατές αλλαγές μεγάλης κλίμακας που συνδέονται με την υπερθέρμανση του πλανήτη στην επιφάνεια της Γης, η ανάλυση, η μοντελοποίηση και η πρόβλεψη της συμπεριφοράς του και της απόκρισης του πολικού συστήματος που υποστηρίζει είναι απίστευτα δύσκολη, αλλά οι μαθηματικοί μπορούν να βοηθήσουν.
Ο Kenneth Golden, διακεκριμένος καθηγητής μαθηματικών και επίκουρος καθηγητής βιοϊατρικής μηχανικής στο Πανεπιστήμιο της Γιούτα, έχει δημιουργήσει ένα μοναδικό πρόγραμμα θαλάσσιου πάγου για πάνω από 30 χρόνια. Ο συνδυασμός της έρευνας στα μαθηματικά, της μοντελοποίησης του κλίματος και των συναρπαστικών επιτόπιων αποστολών, έχει προσελκύσει φοιτητές και μεταδιδακτορικούς ερευνητές, συμπεριλαμβανομένου του Dr Reimer, οι οποίοι επικεντρώνονται στη χρήση αυτού του τύπου επιστήμης για να βοηθήσουν στην αντιμετώπιση των πιεστικών προκλήσεων ενός ταχέως μεταβαλλόμενου κλίματος.
Ο Δρ Reimer έχει μελετήσει πώς οι πολικές αρκούδες και οι φώκιες ανταποκρίνονται στις αλλαγές στο παγωμένο περιβάλλον τους. Ενώ χρησιμοποίησε μαθηματικά μοντέλα για να κατανοήσει τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ αυτών των πλασμάτων και του οικοτόπου τους, πήρε επίσης μετρήσεις και δείγματα από αρκούδες στην Αρκτική, κάτι που δεν περίμενε ποτέ να κάνει ως μαθηματικός. «Δεν κοιμούνται εντελώς όταν είναι ήρεμοι. είναι τρελαμένοι», εξηγεί. «Ένας από αυτούς με φρίκαρε γιατί φαινόταν ότι θα μπορούσε να ξυπνήσει κάποια στιγμή».
Ο Δρ Ράιμερ παίρνει μετρήσεις από μια ναρκωμένη πολική αρκούδα στην Αρκτική.
Η συρρίκνωση του ενδιαιτήματός τους σημαίνει ότι οι πολικές αρκούδες περπατούν πάνω σε λεπτό πάγο, αλλά ελπίζουμε ότι μελέτες όπως του Dr Reimer θα βοηθήσουν τους ειδικούς να κατανοήσουν πώς να προστατεύσουν τα μεγαλειώδη αρπακτικά.
Ωστόσο, είναι ο «συναρπαστικός» μικροσκοπικός κόσμος των βακτηρίων και των φυκιών που ζουν σε θύλακες αλμυρού νερού μέσα στον θαλάσσιο πάγο που τώρα την ενθουσιάζει. Αυτή η βιολογική κοινότητα και ο βιότοπός της επηρεάζονται από αλλαγές στη θερμοκρασία, την αλατότητα και το φως, γεγονός που καθιστά δύσκολη την ακριβή μοντελοποίηση. Στην τρέχουσα εργασία της, η Dr Reimer κατασκευάζει μοντέλα για να κατανοήσει πώς αλληλεπιδρούν αυτοί οι παράγοντες για να καθορίσουν τη βιολογική δραστηριότητα μέσα στον πάγο. «Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο οι διαδικασίες σε αυτές τις μικρές κλίμακες συμβάλλουν σε μοτίβα μακροεπίπεδου είναι κρίσιμη για τη μοντελοποίηση του αντίκτυπου ενός θερμαινόμενου κλίματος στην πολική θαλάσσια οικολογία», εξηγεί.
Είναι η πρόκληση της κατανόησης του τρόπου με τον οποίο η μικροσκοπική δομή του θαλάσσιου πάγου επηρεάζει τη συμπεριφορά τεράστιων εκτάσεων πάγου που ενδιαφέρει τον καθηγητή Γκόλντεν. Έχει επισκεφθεί τις πολικές περιοχές της Γης 18 φορές, αντέχοντας τους δυτικούς ανέμους που είναι γνωστοί ως «Σαράντα του βρυχηθμού» για να φτάσει στην Ανταρκτική με πλοίο και αποφεύγοντας ελάχιστα να βουτήξει σε παγωμένα νερά ενώ μετρούσε τον θαλάσσιο πάγο. «Μια φορά με επισκέφτηκε μια τεράστια φάλαινα περίπου οκτώ πόδια μακριά, η οποία θα μπορούσε εύκολα να είχε σπάσει το λεπτό πέλμα στο οποίο βρισκόμουν με μια περιστασιακή κίνηση της ουράς της», λέει.
Ο καθηγητής Γκόλντεν μελετά τη μικροδομή του θαλάσσιου πάγου για να υπολογίσει πόσο εύκολα μπορεί να ρέει υγρό μέσα από αυτόν. «Ο θαλάσσιος πάγος είναι αλμυρός. Έχει μια πορώδη μικροδομή από εγκλείσματα άλμης που είναι πολύ διαφορετική από τον πάγο του γλυκού νερού», λέει.
Ο καθηγητής Golden οδήγησε διεπιστημονικές ομάδες να προβλέψουν την κρίσιμη θερμοκρασία στην οποία συνδέονται τα εγκλείσματα άλμης έτσι ώστε το υγρό να μπορεί να ρέει μέσω του θαλάσσιου πάγου και να αναπτύξουν την πρώτη τεχνική τομογραφίας ακτίνων Χ για να αναλύσουν πώς εξελίσσεται η γεωμετρία των εγκλεισμάτων με τη θερμοκρασία. «Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο το θαλασσινό νερό διεισδύει μέσω του θαλάσσιου πάγου είναι ένα από τα κλειδιά για την ερμηνεία του πώς θα διαδραματιστεί η κλιματική αλλαγή στο πολικό θαλάσσιο περιβάλλον», εξηγεί.
Η ανακάλυψη αυτού του «διακόπτη on-off» βοήθησε τους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα διαδικασίες όπως το πώς αναπληρώνονται τα θρεπτικά συστατικά που τροφοδοτούν τις κοινότητες φυκιών που ζουν σε εγκλείσματα άλμης.
Οι μελέτες του καθηγητή Golden δείχνουν πόσο εύκολα μπορεί να ρέει υγρό μέσω του θαλάσσιου πάγου, ο οποίος έχει μια πορώδη μικροδομή από εγκλείσματα άλμης (εικόνα). WF Weeks και A. Assur, CRREL (US Army Cold Regions Research and Engineering Lab) Έκθεση 269, 1969
Η άλμη στον θαλάσσιο πάγο επηρεάζει επίσης την υπογραφή του ραντάρ, η οποία επηρεάζει τις δορυφορικές μετρήσεις παραμέτρων όπως το πάχος του πάγου που χρησιμοποιούνται για την επικύρωση κλιματικών μοντέλων. Αυτά τα μοντέλα είναι σημαντικά επειδή προβλέπουν μελλοντικές αλλαγές στο κλίμα μας και χρησιμοποιούνται από παγκόσμιους ηγέτες και επιστήμονες για να βρουν στρατηγικές μετριασμού.
Η ποικιλία του πάγου αποτελεί πρόκληση, αλλά η ποικιλομορφία μεταξύ ερευνητών, δασκάλων και μαθητών δημιουργεί το τέλειο περιβάλλον για φρέσκες ιδέες. Στις ΗΠΑ, μόλις το ένα τέταρτο των διδακτορικών διπλωμάτων στα μαθηματικά και τις επιστήμες υπολογιστών απονεμήθηκαν σε γυναίκες το 2015, αλλά προγράμματα όπως το Πανεπιστήμιο της Γιούτα ΠΡΟΣΒΑΣΗ Το πρόγραμμα καλλιεργεί ταλαντούχες γυναίκες μαθηματικούς βοηθώντας τες να ξεκλειδώσουν ευκαιρίες όπως η καθοδήγηση και η πρακτική έρευνα. Οι αποστολές στην Αρκτική όχι μόνο προσφέρουν στους μαθητές μια υψηλή εμπειρία, αλλά διασφαλίζουν ότι οι μαθηματικοί συμμετέχουν σε έρευνα και λύσεις αιχμής, μαζί με επιστήμονες και μηχανικούς του κλίματος.
Όταν δεν παλεύουν με χιονοθύελλες, ο Δρ Reimer και ο καθηγητής Γκόλντεν εργάζονται σε συνεργατικά, διεπιστημονικά έργα και καθοδηγούν προπτυχιακές φοιτήτριες ως μέρος του προγράμματος ACCESS. Μετά την ανανέωση της συνιστώσας των μαθηματικών το 2018 για να συμπεριλάβει την κλιματική αλλαγή, ο καθηγητής Golden έχει δει περίπου τριπλάσιο τον αριθμό των μαθητών του ACCESS που ενδιαφέρονται να λάβουν θέση στα μαθηματικά ή σε ερευνητική θέση από πριν.
Η Rebecca Hardenbrook, η οποία είναι μια από τις διδακτορικές φοιτήτριες του καθηγητή Golden, λέει: «Η εστίαση σε πιεστικά ζητήματα όπως η κλιματική αλλαγή προσελκύει περισσότερους ανθρώπους που θέλουμε στα μαθηματικά, που είναι όλοι, αλλά ειδικότερα, γυναίκες, έγχρωμοι, queer άνθρωποι. οποιοσδήποτε από υποεκπροσωπούμενο υπόβαθρο».
Η Χάρντενμπρουκ εντάχθηκε στο πρόγραμμα ACCESS πριν από το πρώτο της έτος ως προπτυχιακός, περνώντας το καλοκαίρι σε ένα εργαστήριο αστροφυσικής, το οποίο της άνοιξε τα μάτια στη δυνατότητα να κάνει έρευνα. «Ήταν πραγματικά άλλαξε η ζωή», λέει, κυρίως επειδή αποφάσισε περαιτέρω να συνεχίσει το διδακτορικό της στα μαθηματικά με τον καθηγητή Γκόλντεν αφού σπούδασε θερμικές μεταφορές μέσω θαλάσσιου πάγου ως προπτυχιακός.
Η Rebecca Hardenbrook διδάσκει μαθηματικά σε φοιτητές στο Πανεπιστήμιο της Γιούτα στο Salt Lake City.
Τώρα εμπνέει τους νεότερους μαθητές στο πρόγραμμα ACCESS ως βοηθός διδασκαλίας, καθώς και στη διαμόρφωση λιμνών τήξης, που είναι λίμνες νερού στον θαλάσσιο πάγο της Αρκτικής. Αυτές οι λίμνες διαδραματίζουν αποφασιστικό ρόλο στον προσδιορισμό των μακροπρόθεσμων ρυθμών τήξης του πάγου της Αρκτικής, απορροφώντας την ηλιακή ακτινοβολία αντί να την αντανακλούν. Καθώς μεγαλώνουν και ενώνονται, υφίστανται μια μετάβαση στη γεωμετρία φράκταλ, δημιουργώντας ουσιαστικά ένα ατελείωτο μοτίβο που μπορεί να μοντελοποιηθεί από μαθηματικούς.
Ο Hardenbrook βασίζεται σε μια δεκαετία εργασίας σε λιμνούλες τήξης από τον καθηγητή Γκόλντεν και προηγούμενους φοιτητές και ερευνητές στο πανεπιστήμιο, προσαρμόζοντας το κλασικό μοντέλο Ising, το οποίο αναπτύχθηκε πριν από περισσότερο από έναν αιώνα και εξηγεί πώς τα υλικά μπορούν να αποκτήσουν ή να χάσουν μαγνητισμό, στο μοντέλο τήξης. γεωμετρία λίμνης. «Ελπίζω να κάνω το μοντέλο για τον θαλάσσιο πάγο πιο ακριβές φυσικά, ώστε να μπορεί να τεθεί σε παγκόσμια κλιματικά μοντέλα για να δημιουργήσει μια πιο ακριβή προσέγγιση για την αντιμετώπιση των λιμνών τήξης, που έχουν εκπληκτική επίδραση στο άλμπεντο της Αρκτικής», εξηγεί.
Οι μαθηματικοί έχουν ήδη λύσει το αίνιγμα του πώς να ορίσουν το πλάτος της κυματοειδούς οριακής ζώνης θαλάσσιου πάγου, η οποία εκτείνεται από τον πυκνό εσωτερικό πυρήνα του παγωμένου πάγου έως τις εξωτερικές παρυφές, όπου τα κύματα μπορούν να σπάσουν τον πλωτό πάγο.
Ο Court Strong, ο οποίος είναι επιστήμονας της ατμόσφαιρας και ένας από τους συναδέλφους του καθηγητή Golden στο Πανεπιστήμιο της Γιούτα, άντλησε έμπνευση από μια ασυνήθιστη πηγή: τον εγκεφαλικό φλοιό του εγκεφάλου ενός αρουραίου. Συνειδητοποίησε ότι θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν την ίδια μαθηματική μέθοδο για να μετρήσουν το πλάτος της οριακής ζώνης πάγου όπως κάνουν για τη μέτρηση του πάχους του ανώμαλου εγκεφάλου του τρωκτικού, ο οποίος έχει επίσης πολλές παραλλαγές. Με τη βοήθεια αυτού του απλοποιημένου μοντέλου, η ομάδα μπόρεσε να αποδείξει ότι η οριακή ζώνη πάγου διευρύνθηκε κατά περίπου 40% καθώς το κλίμα μας είχε θερμανθεί.
Το πρόγραμμα ACCESS του πανεπιστημίου της Γιούτα, συμπεριλαμβανομένης της πρακτικής του έρευνας, βυθίζει τους μαθητές σε ένα διεπιστημονικό περιβάλλον όπου τα μαθηματικά αποτελούν μέρος μιας ευρύτερης εικόνας. Ενθαρρύνει τη διασταυρούμενη επικονίαση, όπου μέθοδοι και ιδέες από φαινομενικά άσχετους τομείς της επιστήμης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την επίλυση προβλημάτων όταν τα υποκείμενα μαθηματικά είναι ουσιαστικά τα ίδια.
«Όταν αντιμετωπίζεις μια ασυνήθιστη κατάσταση, χρειάζεσαι διαφορετικά είδη μυαλών για να δεις ένα πρόβλημα ξεκάθαρα και να βρεις λύσεις», λέει ο καθηγητής Γκόλντεν.
Η απώλεια του θαλάσσιου πάγου που παρατηρείται στην Αρκτική συνέβη σε λίγες μόνο δεκαετίες και συνεχίζεται με ανησυχητικό ρυθμό.
«Χρειαζόμαστε όλα τα καλά μυαλά και διαφορετικούς τρόπους σκέψης που μπορούμε να αποκτήσουμε, και τα χρειαζόμαστε γρήγορα», λέει.
Αυτό το άρθρο έχει αξιολογηθεί για το Πανεπιστήμιο της Γιούτα, το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών και το Γραφείο Ναυτικών Ερευνών από τον Elvis Bahati Orlendo, International Foundation for Science, Στοκχόλμη και την Dr Magdalena Stoeva, FIOMP, FUIPESM.
Διαβάστε περισσότερα για το Unlocking Science 
Διαβάστε περισσότερα για Συμμετέχετε στο 5ο Διεθνές Πολικό Έτος 
Διαβάστε περισσότερα για την Πρόσκληση Υποβολής Προσφορών για τη φιλοξενία του Διεθνούς Γραφείου Συντονισμού IPY-5 | προθεσμία: 6 Φεβρουαρίου Διαβάστε περισσότερα για την Πρόσκληση για Εθνικές Επιτροπές IPY-5 