Možná byste čekali, že taková kousavá anekdota přijde od průzkumníka, ale Dr. Reimer je matematik a lektor na University of Utah a je součástí komunity, která vyměnila útulné učebny za některé z nejnehostinnějších divočin na Zemi. , ve snaze použít čísla k pochopení globálního oteplování.
Jejich dobrodružství jim umožní z první ruky pozorovat procesy vedoucí ke změnám v polárních oblastech a ověřit jejich matematické teorie o mořském ledu a jeho roli jako kritické složky v klimatickém systému Země.
Tloušťka a rozsah mořského ledu v Arktidě se od prvních satelitních měření rychle zmenšily 1979.
Mořský led je lednička Země, která odráží sluneční světlo zpět do vesmíru. Jeho trvalá přítomnost je důležitá pro budoucnost naší planety, protože s tím, jak taje více ledu, je odkryto více tmavé vody, která absorbuje více slunečního světla. Tato sluncem zahřátá voda roztaví více ledu v samoposilujícím cyklu zvaném ledové albedo zpětná vazba.
Zatímco úbytek mořského ledu je možná jednou z nejviditelnějších rozsáhlých změn spojených s oteplováním planet na povrchu Země, analýza, modelování a předpovídání jeho chování a reakce polárního systému, který podporuje, je neuvěřitelně obtížné, ale matematici mohou pomoci.
Kenneth Golden, uznávaný profesor matematiky a mimořádný profesor biomedicínského inženýrství na univerzitě v Utahu, vybudoval během 30 let unikátní program mořského ledu. Jeho kombinace matematického výzkumu, modelování klimatu a vzrušujících terénních expedic přilákala studenty a postdoktorandské výzkumné pracovníky, včetně Dr. Reimera, kteří se zaměřují na využití tohoto typu vědy k pomoci při řešení naléhavých výzev rychle se měnícího klimatu.
Dr. Reimer studoval, jak lední medvědi a tuleni reagují na změny ve svém zmrzlém prostředí. Zatímco používala matematické modely k pochopení interakcí mezi těmito tvory a jejich stanovištěm, provedla také měření a vzorky od medvědů v Arktidě, což bylo něco, co jako matematička nikdy nečekala. „Když jsou v klidu, úplně nespí; jsou grogy,“ vysvětluje. "Jeden z nich mě vyděsil, protože se zdálo, že by se mohl někdy probudit."
Dr. Reimer provádí měření u ledního medvěda v Arktidě.
Jejich zmenšující se stanoviště znamená, že lední medvědi chodí po tenkém ledě, ale doufáme, že studie jako Dr. Reimer pomohou odborníkům pochopit, jak chránit majestátní predátory.
Je to však „ohromující“ mikroskopický svět bakterií a řas, které žijí v kapsách slané vody uvnitř mořského ledu, co ji nyní vzrušuje. Tato biologická komunita a její stanoviště jsou ovlivněny změnami teploty, slanosti a světla, což ztěžuje přesné modelování. Ve své současné práci Dr. Reimer konstruuje modely, aby pochopila, jak tyto faktory interagují při určování biologické aktivity v ledu. "Pochopení toho, jak procesy v těchto malých měřítcích přispívají k makroúrovni vzorců, je zásadní pro modelování dopadu oteplování klimatu na polární mořskou ekologii," vysvětluje.
Prof. Golden zajímá, jak mikroskopická struktura mořského ledu ovlivňuje chování masivních ledových ploch. Osmnáctkrát navštívil polární oblasti Země, vzdoroval západním větrům známým jako „řvoucí čtyřicátá léta“, aby dosáhl Antarktidy lodí a jen těsně se vyhýbal ponoření do ledových vod při měření mořského ledu. „Jednou mě navštívila mohutná velryba asi osm stop daleko, která mohla snadno rozbít tenkou kry, na které jsem ležel, pouhým mávnutím ocasu,“ říká.
Profesor Golden studuje mikrostrukturu mořského ledu, aby vypočítal, jak snadno jím může protékat tekutina. „Mořský led je slaný. Má porézní mikrostrukturu inkluzí solanky, která se velmi liší od sladkovodního ledu,“ říká.
Profesor Golden vedl mezioborové týmy k předpovídání kritické teploty, při které se inkluze solanky spojují, aby tekutina mohla proudit mořským ledem, a k vývoji první techniky rentgenové tomografie k analýze toho, jak se geometrie vměstků vyvíjí s teplotou. „Pochopení toho, jak mořská voda prosakuje mořským ledem, je jedním z klíčů k interpretaci toho, jak se klimatické změny projeví v polárním mořském prostředí,“ vysvětluje.
Objev tohoto „zapnuto-vypnuto“ pomohlo vědcům lépe porozumět procesům, jako je například doplňování živin, které vyživují komunity řas žijících v inkluzích solanky.
Studie profesora Goldena ukazují, jak snadno může tekutina protékat mořským ledem, který má porézní mikrostrukturu inkluzí solanky (na obrázku). WF Weeks a A. Assur, CRREL (Výzkumná a inženýrská laboratoř armády USA) 269, 1969
Solanka v mořském ledu také ovlivňuje jeho radarový podpis, který ovlivňuje satelitní měření parametrů, jako je tloušťka ledu, která se používají k ověření klimatických modelů. Tyto modely jsou důležité, protože předpovídají budoucí změny našeho klimatu a používají je světoví lídři a vědci k vymýšlení strategií zmírňování.
Rozmanitost ledu představuje výzvu, ale rozmanitost mezi výzkumníky, učiteli a studenty vytváří dokonalé prostředí pro nové nápady. V USA byla v roce 2015 ženám udělena pouze jedna čtvrtina doktorských titulů v matematice a počítačových vědách, ale programy jako University of Utah PŘÍSTUP Program vychovává talentované matematičky tím, že jim pomáhá odemykat příležitosti, jako je mentoring a praktický výzkum. Expedice do Arktidy nejenže studentům poskytnou lepší zkušenosti, ale zajistí, že se do špičkového výzkumu a řešení zapojí i matematici spolu s klimatickými vědci a inženýry.
Když zrovna nebojují s vánicí, Dr. Reimer a Prof Golden pracují na společných, interdisciplinárních projektech a spolu-mentorují studentky bakalářského studia v rámci programu ACCESS. Po osvěžení matematické složky v roce 2018 tak, aby zahrnovala změnu klimatu, zaznamenal profesor Golden zhruba trojnásobný počet studentů ACCESS se zájmem o studium v oboru matematiky nebo výzkum než dříve.
Rebecca Hardenbrook, která je jednou z doktorandů profesora Goldena, říká: „Zaměření na naléhavé problémy, jako je změna klimatu, přitahuje do matematiky více lidí, které chceme, což jsou všichni, ale zejména ženy, lidé barvy pleti, queer lidé; kdokoli z nedostatečně zastoupeného prostředí.“
Hardenbrook se do programu ACCESS zapojila před prvním rokem jako vysokoškolačka, léto strávila v astrofyzické laboratoři, což jí otevřelo oči k možnosti dělat výzkum. „Opravdu to změnilo život,“ říká, v neposlední řadě proto, že se po studiu tepelného transportu přes mořský led jako vysokoškolačka rozhodla pokračovat v doktorském studiu matematiky u prof. Goldena.
Rebecca Hardenbrook učí matematiku studenty na University of Utah v Salt Lake City.
Nyní inspiruje mladší studenty na schématu ACCESS jako asistentka pedagoga a také při modelování jezírek tání, což jsou jezírka vody na arktickém mořském ledu. Tyto rybníky hrají rozhodující roli při určování dlouhodobých rychlostí tání arktického mořského ledového pokryvu tím, že pohlcují sluneční záření místo toho, aby je odrážely. Jak rostou a spojují se, procházejí přechodem ve fraktální geometrii a efektivně vytvářejí nekonečný vzor, který mohou modelovat matematici.
Hardenbrook staví na desetileté práci profesora Goldena a předchozích studentů a výzkumníků na univerzitě na jezerech s taveninou tím, že adaptuje klasický Isingův model, který byl vyvinut před více než stoletím a vysvětluje, jak materiály mohou získat nebo ztratit magnetismus, k modelování taveniny. geometrie rybníka. „Doufám, že model mořského ledu bude fyzicky přesnější, aby jej bylo možné vložit do globálních klimatických modelů a vytvořit tak přesnější přístup k řešení tání jezírek, které mají překvapivý vliv na albedo Arktidy,“ vysvětluje.
Matematici již vyřešili hlavolam, jak definovat šířku zvlněné okrajové zóny mořského ledu, která se rozprostírá od hustého vnitřního jádra ledové tříště až po vnější okraje, kde vlny mohou rozbíjet plovoucí led.
Court Strong, který je atmosférickým vědcem a jedním z kolegů profesora Goldena na University of Utah, čerpal inspiraci z neobvyklého zdroje: mozkové kůry krysího mozku. Uvědomil si, že mohou použít stejnou matematickou metodu k měření šířky okrajové ledové zóny jako k měření tloušťky hrbolatého mozku hlodavců, který má také mnoho variací. S pomocí tohoto zjednodušeného modelu byl tým schopen prokázat, že okrajová ledová zóna se s oteplováním našeho klimatu rozšířila asi o 40 %.
Program ACCESS univerzity v Utahu, včetně jeho praktického výzkumu, ponoří studenty do interdisciplinárního prostředí, kde je matematika součástí většího obrazu. Podporuje křížové opylení, kde lze použít metody a nápady ze zdánlivě nesouvisejících oblastí vědy k řešení problémů, když je základní matematika v podstatě stejná.
„Když se ocitnete v neobvyklé situaci, potřebujete různé druhy myslí, abyste se na problém podívali jasně a přišli s řešením,“ říká prof. Golden.
K úbytku mořského ledu v Arktidě došlo během několika desetiletí a pokračuje alarmujícím tempem.
"Potřebujeme všechny dobré mozky a různé způsoby myšlení, které můžeme získat, a potřebujeme je rychle," říká.
Tento článek byl recenzován pro University of Utah, National Science Foundation a Office of Naval Research od Elvise Bahatiho Orlenda, International Foundation for Science, Stockholm a Dr Magdalena Stoeva, FIOMP, FIUPESM.
Přečtěte si více o Zapojte se do 5. mezinárodního polárního roku 
Více informací o výzvě k podávání nabídek na hostování Mezinárodní koordinační kanceláře IPY-5 | uzávěrka: 6. února Přečtěte si více o Výzvě k založení národních výborů pro IPY-5 
