Možda biste očekivali da ovakva anegdota koja grize nokte dolazi od istraživača, ali dr. Reimer je matematičar i predavač na Sveučilištu Utah, kao i dio zajednice koja je udobne učionice zamijenila nekima od najnegostoljubivijih divljina na Zemlji , u pokušaju da pomoću brojeva razumijemo globalno zatopljenje.
Njihove avanture omogućuju im da iz prve ruke promatraju procese koji pokreću promjene u polarnim regijama i potvrde svoje matematičke teorije o morskom ledu i njegovoj ulozi kao ključne komponente u klimatskom sustavu Zemlje.
Debljina i opseg morskog leda na Arktiku brzo su se smanjili otkad su satelitska mjerenja prvi put obavljena 1979.
Morski led je Zemljin hladnjak koji odbija sunčevu svjetlost natrag u svemir. Njegova trajna prisutnost važna je za budućnost našeg planeta jer, što se više leda otapa, više tamne vode biva izloženo i upija više sunčeve svjetlosti. Ova suncem zagrijana voda otapa više leda u samoojačavajućem ciklusu koji se naziva ledeni albedo povratna veza.
Iako je smanjenje morskog leda možda jedna od najvidljivijih promjena velikih razmjera povezanih s planetarnim zagrijavanjem na Zemljinoj površini, analiza, modeliranje i predviđanje njegovog ponašanja i odgovora polarnog sustava koji podržava je nevjerojatno teško, ali matematičari mogu pomoći.
Kenneth Golden, ugledni profesor matematike i pomoćni profesor biomedicinskog inženjerstva na Sveučilištu Utah, izgradio je jedinstveni program morskog leda tijekom 30 godina. Njegova kombinacija matematičkog istraživanja, klimatskog modeliranja i uzbudljivih terenskih ekspedicija privukla je studente i postdoktorande, uključujući dr. Reimera, koji su usredotočeni na korištenje ove vrste znanosti kako bi pomogli u rješavanju gorućih izazova klime koja se brzo mijenja.
Dr. Reimer je proučavao kako polarni medvjedi i tuljani reagiraju na promjene u svom zamrznutom okolišu. Dok je koristila matematičke modele kako bi razumjela interakcije između tih stvorenja i njihovog staništa, također je uzela mjerenja i uzorke od medvjeda na Arktiku, što je bilo nešto što nikad nije očekivala da će učiniti kao matematičarka. “Ne spavaju potpuno kad su umireni; omamljeni su”, objašnjava ona. “Jedan od njih me izbezumio jer mi se činilo da bi se u jednom trenutku mogao probuditi.”
Dr. Reimer uzima mjerenja od polarnog medvjeda pod sedativima na Arktiku.
Njihovo sve manje stanište znači da polarni medvjedi hodaju po tankom ledu, ali nadamo se da će studije poput dr. Reimera pomoći stručnjacima da razumiju kako zaštititi veličanstvene predatore.
Međutim, sada ju uzbuđuje "zapanjujući" mikroskopski svijet bakterija i algi koje žive u džepovima slane vode unutar morskog leda. Na ovu biološku zajednicu i njezino stanište utječu promjene temperature, saliniteta i svjetlosti, što otežava precizno modeliranje. U svom sadašnjem radu dr. Reimer konstruira modele kako bi razumjela kako ti čimbenici međusobno djeluju kako bi odredili biološku aktivnost unutar leda. "Razumijevanje načina na koji procesi na ovim malim razmjerima doprinose obrascima na makrorazini ključno je za modeliranje utjecaja zagrijavanja klime na polarnu morsku ekologiju", objašnjava ona.
Profesora Goldena zanima izazov razumijevanja kako mikroskopska struktura morskog leda utječe na ponašanje golemih prostranstava leda. Posjetio je Zemljine polarne regije 18 puta, odupirući se zapadnim vjetrovima poznatim kao “Rukuće četrdesete” kako bi brodom stigao do Antarktike i za dlaku izbjegao 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 sapun na kojoj sam bio ležernim pokretom repa”, kaže on.
Profesor Golden proučava mikrostrukturu morskog leda kako bi izračunao koliko lako tekućina može teći kroz njega. “Morski led je slan. Ima poroznu mikrostrukturu inkluzija slane vode koja se jako razlikuje od slatkovodnog leda,” kaže on.
Profesor Golden vodio je interdisciplinarne timove koji su predvidjeli kritičnu temperaturu na kojoj se inkluzije slane vode spajaju tako da tekućina može teći kroz morski led, te razvili prvu tehniku rendgenske tomografije za analizu kako se geometrija inkluzija mijenja s temperaturom. "Razumijevanje načina na koji morska voda prodire kroz morski led jedan je od ključeva za tumačenje kako će se klimatske promjene odvijati u polarnom morskom okolišu", objašnjava.
Otkrivanje ovog "prekidača za uključivanje i isključivanje" pomoglo je znanstvenicima da bolje razumiju procese kao što je kako se obnavljaju hranjive tvari koje hrane zajednice algi koje žive u inkluzijama slane vode.
Studije profesora Goldena pokazuju koliko lako tekućina može teći kroz morski led, koji ima poroznu mikrostrukturu inkluzija slane vode (na slici). WF Weeks i A. Assur, CRREL (Laboratorij za istraživanje i inženjering hladnih područja američke vojske) Izvješće 269, 1969.
Slana otopina u morskom ledu također utječe na njegov radarski potpis, što utječe na satelitska mjerenja parametara poput debljine leda koji se koriste za provjeru klimatskih modela. Ovi modeli su važni jer predviđaju buduće promjene naše klime i koriste ih svjetski čelnici i znanstvenici 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 2015. samo jedna četvrtina doktorskih diploma iz matematike i računalnih znanosti dodijeljena ženama, ali programi poput Sveučilišta Utah PRISTUP programi njeguju talentirane matematičarke pomažući im da otključaju mogućnosti poput mentorstva i praktičnog istraživanja. Ekspedicije na Arktik ne samo da studentima daju dodatno iskustvo, već osiguravaju da su matematičari uključeni u vrhunska istraživanja i rješenja, zajedno s klimatskim znanstvenicima i inženjerima.
Kada se ne bore sa snježnim olujama, dr. Reimer i prof. Golden rade na zajedničkim, interdisciplinarnim projektima i sumentoricama su studentice dodiplomskog studija u sklopu programa ACCESS. Nakon što je 2018. osvježio matematičku komponentu kako bi uključio klimatske promjene, profesor Golden primijetio je otprilike utrostručenje broja ACCESS studenata zainteresiranih za studij matematike ili istraživačku praksu nego prije.
Rebecca Hardenbrook, koja je jedna od doktorskih studentica profesora Goldena, kaže: „fokusiranje na hitna pitanja kao što su klimatske promjene privlači više ljudi koje želimo u matematiku, a to su svi, a posebno žene, obojeni ljudi, queer ljudi; bilo tko iz podzastupljenog porijekla.”
Hardenbrook se pridružila programu ACCESS prije svoje prve godine dodiplomskog studija, provodeći ljeto u laboratoriju za astrofiziku, što joj je otvorilo oči za mogućnost istraživanja. "To je doista promijenilo život", kaže ona, ne samo zato što je odlučila nastaviti doktorat iz matematike kod profesora Goldena nakon što je kao dodiplomski studirala toplinski transport kroz morski led.
Rebecca Hardenbrook predaje matematiku studentima na Sveučilištu Utah u Salt Lake Cityju.
Ona sada inspirira mlađe učenike na shemu ACCESS kao pomoćnica u nastavi, kao i modeliranje bazena za topljenje, koji su bazeni vode na arktičkom morskom ledu. Ova jezera igraju odlučujuću ulogu u određivanju dugoročnih stopa otapanja arktičkog ledenog pokrivača tako što apsorbiraju sunčevo zračenje umjesto da ga reflektiraju. Kako rastu i spajaju se, prolaze kroz prijelaz u fraktalnoj geometriji, učinkovito stvarajući beskrajni obrazac koji matematičari mogu modelirati.
Hardenbrook se oslanja na desetljeće rada profesora Goldena i bivših studenata i istraživača na sveučilištu na jezerima taline prilagođavajući klasični Isingov model, koji je razvijen prije više od jednog stoljeća i koji objašnjava kako materijali mogu dobiti ili izgubiti magnetizam, za modeliranje taline geometrija ribnjaka. "Nadam se da ću model za morski led učiniti fizički preciznijim tako da se može staviti u globalne klimatske modele kako bi se stvorio točniji pristup rješavanju problema s otopljenim jezercima, koji 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 guste unutarnje jezgre pakiranog leda do vanjskih rubova, gdje valovi mogu razbiti plutajući led.
Court Strong, koji je atmosferski znanstvenik i jedan od kolega profesora Goldena sa Sveučilišta Utah, crpio je inspiraciju iz neobičnog izvora: cerebralnog korteksa mozga štakora. Shvatio je da bi mogli upotrijebiti istu matematičku metodu za mjerenje širine rubne ledene zone kao što to rade za mjerenje debljine kvrgavog mozga glodavaca, koji također ima puno varijacija. Uz pomoć ovog pojednostavljenog modela, tim je uspio pokazati da se rubna zona leda proširila za oko 40% kako se naša klima zagrijavala.
Program ACCESS Sveučilišta u Utahu, uključujući njegova praktična istraživanja, uranja studente u interdisciplinarno okruženje u kojem je matematika dio šire slike. Potiče unakrsno oprašivanje, gdje se metode i ideje iz naizgled nepovezanih područja znanosti mogu koristiti za rješavanje problema kada je temeljna matematika u biti ista.
"Kada se nađete u neobičnoj situaciji, potrebne su vam različite vrste umova da jasno sagledate problem i dođete do rješenja", kaže prof. Golden.
Gubitak morskog leda na Arktiku dogodio se u samo nekoliko desetljeća i nastavlja se alarmantnom brzinom.
"Potrebni su nam svi dobri mozgovi i različiti načini razmišljanja koje možemo dobiti, i trebaju nam brzo", kaže.
Ovaj članak recenzirali su Elvis Bahati Orlendo, Međunarodna zaklada za znanost, Stockholm i dr. Magdalena Stoeva, FIOMP, FIUPESM, za Sveučilište Utah, Nacionalnu znanstvenu zakladu 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 koordinacijskog ureda za IPY-5 | rok: 6. veljače 
Pročitajte više o Pozivu za nacionalne odbore IPY-5 
