Saatat odottaa tällaisen kynsiä purevan anekdootin tulevan tutkimusmatkailijalta, mutta tohtori Reimer on matemaatikko ja luennoitsija Utahin yliopistossa sekä osa yhteisöä, joka on vaihtanut viihtyisät luokkahuoneet joihinkin maapallon epävieraanvaraisimpiin erämaihin. , tarkoituksenaan käyttää numeroita ilmaston lämpenemisen ymmärtämiseen.
Heidän seikkailunsa antavat heille mahdollisuuden tarkkailla omakohtaisesti prosesseja, jotka aiheuttavat muutoksia napa-alueilla ja vahvistavat matemaattisia teorioitaan merijäästä ja sen roolista maapallon ilmastojärjestelmän kriittisenä komponenttina.
Merijään paksuus ja laajuus arktisella alueella on vähentynyt nopeasti sen jälkeen, kun satelliittimittaukset tehtiin ensimmäistä kertaa 1979.
Merijää on maapallon jääkaappi, joka heijastaa auringonvaloa takaisin avaruuteen. Sen jatkuva läsnäolo on tärkeää planeettamme tulevaisuudelle, koska jään sulaessa enemmän tummaa vettä paljastuu, mikä imee enemmän auringonvaloa. Tämä auringon lämmitetty vesi sulattaa enemmän jäätä itsevahvistavassa kierrossa, jota kutsutaan jääalbedoksi palaute.
Vaikka merijään väheneminen on ehkä yksi näkyvimmistä suurista planeettojen lämpenemiseen liittyvistä muutoksista Maan pinnalla, sen käyttäytymisen ja sen tukeman napajärjestelmän reaktion analysointi, mallintaminen ja ennustaminen on uskomattoman vaikeaa, mutta matemaatikot voivat auttaa.
Kenneth Golden, arvostettu matematiikan professori ja biolääketieteen tekniikan apulaisprofessori Utahin yliopistosta, on rakentanut ainutlaatuisen merijääohjelman yli 30 vuoden ajan. Sen yhdistelmä matemaattista tutkimusta, ilmaston mallintamista ja jännittäviä kenttätutkimuksia on houkutellut opiskelijoita ja tohtorintutkijoita, mukaan lukien tohtori Reimer, jotka ovat keskittyneet käyttämään tämän tyyppistä tiedettä auttamaan vastaamaan nopeasti muuttuvan ilmaston kiireellisiin haasteisiin.
Tohtori Reimer on tutkinut, kuinka jääkarhut ja hylkeet reagoivat jäätymisympäristönsä muutoksiin. Vaikka hän käytti matemaattisia malleja ymmärtääkseen näiden olentojen ja niiden elinympäristön välistä vuorovaikutusta, hän otti myös mittauksia ja näytteitä arktisen alueen karhuista, mitä hän ei koskaan odottanut tekevänsä matemaatikkona. "He eivät nuku täysin, kun he ovat rauhallisia; he ovat närkästyneitä”, hän selittää. "Yksi heistä säikähti minut, koska näytti siltä, että se voisi herätä jossain vaiheessa."
Tohtori Reimer ottaa mittauksia rauhoitetusta jääkarhusta arktisella alueella.
Niiden kutistuva elinympäristö tarkoittaa, että jääkarhut kävelevät ohuella jäällä, mutta tohtori Reimerin kaltaisten tutkimusten toivotaan auttavan asiantuntijoita ymmärtämään, kuinka majesteettisia petoeläimiä voidaan suojella.
Häntä kuitenkin kiihottaa nyt merijään sisällä suolavesitaskuissa asuvien bakteerien ja levien "mielenräjäyttävä" mikroskooppinen maailma. Tähän biologiseen yhteisöön ja sen elinympäristöön vaikuttavat lämpötilan, suolaisuuden ja valon muutokset, mikä vaikeuttaa tarkkaa mallintamista. Nykyisessä työssään tohtori Reimer rakentaa malleja ymmärtääkseen, kuinka nämä tekijät vaikuttavat toisiinsa määrittäessään biologista aktiivisuutta jäässä. "Ymmärtäminen, kuinka prosessit näissä pienissä mittakaavassa vaikuttavat makrotason malleihin, on ratkaisevan tärkeää mallinnettaessa ilmaston lämpenemisen vaikutusta napameren ekologiaan", hän selittää.
Professori Goldenia kiinnostaa haaste ymmärtää, kuinka merijään mikroskooppinen rakenne vaikuttaa valtavien jääalueiden käyttäytymiseen. Hän on vieraillut Maan napa-alueilla 18 kertaa uhraten "Roaring Forties" -nimellä tunnettuja länsituulia päästäkseen laivalla Etelämantereelle ja välttäen sukeltamasta jäisiin vesiin mittaessaan merijäätä. "Kerran luonani noin kahdeksan metrin päässä vieraili massiivinen valas, joka olisi helposti voinut murtaa ohuen lavan, jolla olin, rennommalla hännänliipauksella", hän kertoo.
Professori Golden tutkii merijään mikrorakennetta laskeakseen, kuinka helposti neste voi virrata sen läpi. "Merijää on suolaista. Siinä on huokoinen suolaveden inkluusioiden mikrorakenne, joka on hyvin erilainen kuin makean veden jää", hän sanoo.
Professori Golden on johtanut monialaisia ryhmiä ennustamaan kriittistä lämpötilaa, jossa suolaliuossulkeumat yhdistyvät niin, että neste voi virrata merijään läpi, ja kehittämään ensimmäisen röntgentomografiatekniikan analysoimaan, kuinka sulkeumien geometria muuttuu lämpötilan mukaan. "Ymmärrys siitä, kuinka merivesi imeytyy merijään läpi, on yksi avaimista tulkittaessa, miten ilmastonmuutos tulee vaikuttamaan napameriympäristössä", hän selittää.
Tämän "on-off-kytkimen" löytäminen on auttanut tutkijoita ymmärtämään paremmin prosesseja, kuten kuinka suolavedessä eläviä leväyhteisöjä ruokkivat ravinteet täydentyvät.
Professori Goldenin tutkimukset osoittavat, kuinka helposti neste voi virrata merijään läpi, jossa on huokoinen suolaliuossulkeumien mikrorakenne (kuvassa). WF Weeks ja A. Assur, CRREL (US Army Cold Regions Research and Engineering Lab) raportti 269, 1969
Merijäässä oleva suolaliuos vaikuttaa myös sen tutkatunnisteeseen, joka vaikuttaa ilmastomallien validointiin käytettyjen parametrien, kuten jään paksuuden, satelliittimittauksiin. Nämä mallit ovat tärkeitä, koska ne ennustavat ilmastomme tulevia muutoksia, ja maailman johtajat ja tutkijat käyttävät niitä lieventämisstrategioiden laatimiseen.
Jään monimuotoisuus on haaste, mutta tutkijoiden, opettajien ja opiskelijoiden monimuotoisuus luo täydellisen ympäristön tuoreille ideoille. Yhdysvalloissa vain neljännes matematiikan ja tietojenkäsittelytieteen tohtorin tutkinnoista myönnettiin naisille vuonna 2015, mutta Utahin yliopiston kaltaiset järjestelmät PÄÄSY Ohjelma kasvattaa lahjakkaita naismatemaatikoita auttamalla heitä avaamaan mahdollisuuksia, kuten mentoroinnin ja käytännön tutkimuksen. Arktiset tutkimusmatkat eivät ainoastaan tarjoa opiskelijoille korkeatasoista kokemusta, vaan myös varmistavat, että matemaatikot ovat mukana huippuluokan tutkimuksessa ja ratkaisuissa sekä ilmastotutkijat ja -insinöörit.
Kun he eivät taistele lumimyrskyjä vastaan, tohtori Reimer ja Prof Golden työskentelevät yhteistyöprojekteissa, tieteidenvälisissä projekteissa ja ohjaavat naisopiskelijoita osana ACCESS-ohjelmaa. Päivitettyään matematiikan osan vuonna 2018 ilmastonmuutokseen, Prof Golden on nähnyt matematiikan pääaine- tai tutkimusharjoittelusta kiinnostuneiden ACCESS-opiskelijoiden määrän suunnilleen kolminkertaiseksi kuin ennen.
Rebecca Hardenbrook, joka on yksi professori Goldenin tohtoriopiskelijoista, sanoo: "Keskityminen kiireellisiin kysymyksiin, kuten ilmastonmuutokseen, houkuttelee enemmän ihmisiä, joita haluamme, matematiikkaan, joka koskee kaikkia, mutta erityisesti naisia, värikkäitä ja outoja ihmisiä; kuka tahansa aliedustettu tausta."
Hardenbrook liittyi ACCESS-ohjelmaan ennen ensimmäistä perustutkintovuottaan viettäen kesän astrofysiikan laboratoriossa, mikä avasi hänen silmänsä mahdollisuudelle tehdä tutkimusta. "Se oli todella elämänmuutos", hän sanoo, ei vähiten siksi, että hän päätti jatkaa matematiikan tohtorintutkintoa prof Goldenin johdolla opiskeltuaan lämpökuljetusta merijään läpi perustutkinto-opiskelijana.
Rebecca Hardenbrook opettaa matematiikkaa opiskelijoille Utahin yliopistossa Salt Lake Cityssä.
Nyt hän inspiroi nuorempia opiskelijoita ACCESS-ohjelmassa opettajan assistenttina sekä mallintamaan sulatuslammikoita, jotka ovat arktisen merijään vesialtaita. Näillä lammilla on ratkaiseva rooli arktisen merijääpeiteen pitkäaikaisten sulamisnopeuksien määrittämisessä, koska ne absorboivat auringon säteilyä sen heijastuksen sijaan. Kun ne kasvavat ja yhdistyvät yhteen, ne käyvät läpi siirtymän fraktaaligeometriassa, mikä luo tehokkaasti loputtoman kuvion, jonka matemaatikot voivat mallintaa.
Hardenbrook rakentaa prof Goldenin ja yliopiston aiempien opiskelijoiden ja tutkijoiden sulatuslammikoiden parissa vuosikymmenen ajan tekemälle työlle soveltamalla klassista Ising-mallia, joka kehitettiin yli sata vuotta sitten ja joka selittää, kuinka materiaalit voivat saada tai menettää magnetismin, sulatteen mallintamiseen. lammen geometria. "Toivon saavani merijään mallista fyysisesti tarkemman, jotta se voidaan liittää globaaleihin ilmastomalleihin ja luoda tarkempi lähestymistapa sulaalammikoihin, joilla on yllättävä vaikutus arktisen albedoon", hän selittää.
Matemaatikot ovat jo ratkaisseet hämmennyksen, kuinka määritellä aaltoilevan marginaalisen merijäävyöhykkeen leveys, joka ulottuu aaltojään tiheästä sisäytimestä ulkoreunoihin, joissa aallot voivat murtaa kelluvan jään.
Court Strong, joka on ilmakehätutkija ja yksi Prof Goldenin kollegoista Utahin yliopistossa, sai inspiraationsa epätavallisesta lähteestä: rotan aivojen aivokuoresta. Hän ymmärsi, että he voisivat käyttää samaa matemaattista menetelmää marginaalisen jäävyöhykkeen leveyden mittaamiseen kuin jyrsijän kuoppaisten aivojen paksuuden mittaamiseen, jossa on myös paljon vaihtelua. Tämän yksinkertaistetun mallin avulla tiimi pystyi osoittamaan, että marginaalinen jäävyöhyke on laajentunut noin 40 % ilmastomme lämmetessä.
Utahin yliopiston ACCESS-järjestelmä, mukaan lukien sen käytännön tutkimus, upottaa opiskelijat monitieteiseen ympäristöön, jossa matematiikka on osa suurempaa kokonaisuutta. Se kannustaa ristipölytykseen, jossa menetelmiä ja ideoita näennäisesti toisiinsa liittymättömiltä tieteenaloilla voidaan käyttää ongelmien ratkaisemiseen, kun taustalla oleva matematiikka on olennaisesti sama.
"Kun joudut epätavalliseen tilanteeseen, tarvitset erilaisia mieliä nähdäksesi ongelman selkeästi ja keksiäksesi ratkaisuja", sanoo Prof Golden.
Arktisella alueella havaittu merijäähäviö on tapahtunut vain muutaman vuosikymmenen aikana ja jatkuu hälyttävää vauhtia.
"Tarvitsemme kaikki hyvät aivot ja erilaiset ajattelutavat, jotka voimme saada, ja tarvitsemme niitä nopeasti", hän sanoo.
Elvis Bahati Orlendo, kansainvälinen tiedesäätiö, Tukholma ja tohtori Magdalena Stoeva, FIOMP, FIUPESM, ovat arvioineet tämän artikkelin Utahin yliopiston, National Science Foundationin ja Office of Naval Researchin osalta.
Lue lisää aiheesta Osallistu viidenteen kansainväliseen polaarivuoteen 
Lue lisää tarjouspyynnöstä IPY-5:n kansainvälisen koordinointitoimiston isännöimiseksi | määräaika: 6. helmikuuta Lue lisää IPY-5-kansallisten komiteoiden kutsusta 
