Je zou verwachten dat zo’n nagelbijtende anekdote van een ontdekkingsreiziger komt, maar Dr. Reimer is een wiskundige en docent aan de Universiteit van Utah, en maakt ook deel uit van een gemeenschap die knusse klaslokalen heeft ingeruild voor enkele van de meest onherbergzame wildernissen op aarde. , in een poging cijfers te gebruiken om de opwarming van de aarde te begrijpen.
Hun avonturen stellen hen in staat om uit de eerste hand de processen te observeren die veranderingen in de poolgebieden aandrijven en hun wiskundige theorieën over zee-ijs en de rol ervan als een cruciaal onderdeel in het klimaatsysteem van de aarde te valideren.
De dikte en omvang van het zee-ijs in het Noordpoolgebied is snel afgenomen sinds de eerste satellietmetingen 1979.
Zee-ijs is de koelkast van de aarde en reflecteert zonlicht terug de ruimte in. De blijvende aanwezigheid ervan is belangrijk voor de toekomst van onze planeet, omdat naarmate er meer ijs smelt, er meer donker water vrijkomt dat meer zonlicht absorbeert. Dit door de zon verwarmde water doet meer ijs smelten in een zichzelf versterkende cyclus die ijsalbedo wordt genoemd feedback.
Hoewel de afname van het zee-ijs misschien wel een van de meest zichtbare grootschalige veranderingen is die verband houden met de opwarming van de aarde op het aardoppervlak, is het analyseren, modelleren en voorspellen van het gedrag ervan en de reactie van het poolstelsel dat het ondersteunt ongelooflijk moeilijk, maar wiskundigen kunnen helpen.
Kenneth Golden, een vooraanstaande hoogleraar wiskunde en adjunct-professor biomedische technologie aan de Universiteit van Utah, heeft in dertig jaar tijd een uniek zee-ijsprogramma opgebouwd. De combinatie van wiskundig onderzoek, klimaatmodellering en opwindende veldexpedities heeft studenten en postdoctorale onderzoekers aangetrokken, waaronder dr. Reimer, die zich richten op het gebruik van dit soort wetenschap om de dringende uitdagingen van een snel veranderend klimaat aan te pakken.
Dr. Reimer heeft onderzocht hoe ijsberen en zeehonden reageren op veranderingen in hun bevroren omgeving. Terwijl ze wiskundige modellen gebruikte om de interacties tussen deze wezens en hun leefgebied te begrijpen, deed ze ook metingen en monsters van beren in het Noordpoolgebied, iets wat ze als wiskundige nooit had verwacht. “Ze slapen niet helemaal als ze verdoofd zijn; ze zijn duizelig”, legt ze uit. "Een van hen maakte me bang omdat het leek alsof hij op een gegeven moment wakker zou kunnen worden."
Dr. Reimer doet metingen bij een verdoofde ijsbeer in het noordpoolgebied.
Hun steeds kleiner wordende leefgebied betekent dat ijsberen op dun ijs lopen, maar men hoopt dat studies zoals die van dr. Reimer experts zullen helpen begrijpen hoe ze de majestueuze roofdieren kunnen beschermen.
Het is echter de ‘verbijsterende’ microscopische wereld van bacteriën en algen die in zoute waterzakken in het zee-ijs leven die haar nu opwinden. Deze biologische gemeenschap en zijn habitat worden beïnvloed door veranderingen in temperatuur, zoutgehalte en licht, waardoor het moeilijk is om nauwkeurig te modelleren. In haar huidige werk construeert Dr. Reimer modellen om te begrijpen hoe deze factoren op elkaar inwerken om de biologische activiteit in het ijs te bepalen. “Begrijpen hoe processen op deze kleine schaal bijdragen aan patronen op macroniveau is van cruciaal belang voor het modelleren van de impact van een opwarmend klimaat op de polaire mariene ecologie”, legt ze uit.
Het is de uitdaging om te begrijpen hoe de microscopische structuur van zee-ijs het gedrag van enorme ijsvlakten beïnvloedt die Prof. Golden interesseert. Hij heeft de poolgebieden van de aarde 18 keer bezocht, waarbij hij de westelijke winden trotseerde die bekend staan als de “Roaring Forties” om Antarctica per schip te bereiken en ternauwernood een duik in ijskoud water kon vermijden terwijl hij het zee-ijs meette. “Op een keer werd ik bezocht door een enorme walvis op ongeveer twee meter afstand, die de dunne ijsschots waarop ik zat gemakkelijk had kunnen breken met een nonchalante beweging van zijn staart”, zegt hij.
Professor Golden bestudeert de microstructuur van zee-ijs om te berekenen hoe gemakkelijk vloeistof er doorheen kan stromen. “Zee-ijs is zout. Het heeft een poreuze microstructuur van pekelinsluitsels die heel anders is dan zoetwaterijs”, zegt hij.
Professor Golden heeft interdisciplinaire teams geleid om de kritische temperatuur te voorspellen waarbij de pekelinsluitsels met elkaar in contact komen, zodat vloeistof door zee-ijs kan stromen, en om de eerste röntgentomografietechniek te ontwikkelen om te analyseren hoe de geometrie van de insluitsels evolueert met de temperatuur. “Begrijpen hoe zeewater door zee-ijs sijpelt, is een van de sleutels tot het interpreteren van hoe de klimaatverandering zich zal afspelen in het polaire mariene milieu”, legt hij uit.
Het ontdekken van deze ‘aan-uitschakelaar’ heeft wetenschappers geholpen processen beter te begrijpen, zoals hoe voedingsstoffen die de algengemeenschappen voeden die in de pekelinsluitsels leven, worden aangevuld.
Onderzoek van Professor Golden laat zien hoe gemakkelijk vloeistof door zee-ijs kan stromen, dat een poreuze microstructuur van pekelinsluitsels heeft (foto). WF Weeks en A. Assur, CRREL (US Army Cold Regions Research and Engineering Lab) Rapport 269, 1969
De pekel in zee-ijs heeft ook invloed op de radarsignatuur, die van invloed is op satellietmetingen van parameters zoals ijsdikte die worden gebruikt om klimaatmodellen te valideren. Deze modellen zijn belangrijk omdat ze toekomstige veranderingen in ons klimaat voorspellen en door wereldleiders en wetenschappers worden gebruikt om mitigatiestrategieën te bedenken.
De verscheidenheid aan ijs vormt een uitdaging, maar de diversiteit onder onderzoekers, docenten en studenten creëert de perfecte omgeving voor frisse ideeën. In de VS werd in 2015 slechts een kwart van de doctoraten in wiskunde en computerwetenschappen toegekend aan vrouwen, maar programma’s zoals die van de Universiteit van Utah TOEGANG programma koestert getalenteerde vrouwelijke wiskundigen door hen te helpen kansen zoals mentorschap en praktijkgericht onderzoek te ontsluiten. Expedities naar het Noordpoolgebied bieden studenten niet alleen een betere ervaring, maar zorgen er ook voor dat wiskundigen betrokken worden bij baanbrekend onderzoek en oplossingen, naast klimaatwetenschappers en ingenieurs.
Als ze niet met sneeuwstormen te maken hebben, werken dr. Reimer en prof. Golden aan collaboratieve, interdisciplinaire projecten en co-mentoren vrouwelijke studenten als onderdeel van het ACCESS-programma. Na het vernieuwen van de wiskundecomponent in 2018 met klimaatverandering, heeft prof. Golden het aantal ACCESS-studenten dat geïnteresseerd is in een hoofdvak wiskunde of onderzoeksstage grofweg verdrievoudigd dan voorheen.
Rebecca Hardenbrook, een van de PhD-studenten van professor Golden, zegt: “Door ons te concentreren op dringende kwesties als klimaatverandering trekken we meer mensen aan die we in de wiskunde willen hebben, namelijk iedereen, maar in het bijzonder vrouwen, gekleurde mensen, queer-mensen; iedereen met een ondervertegenwoordigde achtergrond.”
Hardenbrook sloot zich voorafgaand aan haar eerste jaar als student aan bij het ACCESS-programma en bracht de zomer door in een astrofysica-laboratorium, wat haar ogen opende voor de mogelijkheid om onderzoek te doen. “Het was echt levensveranderend”, zegt ze, niet in de laatste plaats omdat ze besloot verder te gaan promoveren in de wiskunde bij prof. Golden nadat ze als student thermisch transport door zee-ijs had bestudeerd.
Rebecca Hardenbrook geeft wiskunde aan studenten van de Universiteit van Utah in Salt Lake City.
Ze inspireert nu jongere studenten over het ACCESS-programma als onderwijsassistent, en modelleert smeltvijvers, dit zijn plassen water op het Arctische zee-ijs. Deze vijvers spelen een beslissende rol bij het bepalen van de smeltsnelheid van de Arctische zee-ijsbedekking op lange termijn, doordat ze zonnestraling absorberen in plaats van reflecteren. Terwijl ze groeien en samenkomen, ondergaan ze een overgang in de fractale geometrie, waardoor in feite een oneindig patroon ontstaat dat door wiskundigen kan worden gemodelleerd.
Hardenbrook bouwt voort op tien jaar werk aan smeltvijvers door prof. Golden en eerdere studenten en onderzoekers aan de universiteit door het klassieke Ising-model, dat meer dan een eeuw geleden werd ontwikkeld en uitlegt hoe materialen magnetisme kunnen verkrijgen of verliezen, aan te passen om smeltpatronen te modelleren. geometrie van de vijver. “Ik hoop het model voor zee-ijs fysiek nauwkeuriger te maken, zodat het in mondiale klimaatmodellen kan worden geplaatst om een nauwkeurigere aanpak te creëren voor het aanpakken van smeltvijvers, die een verrassend effect hebben op het albedo van het Noordpoolgebied”, legt ze uit.
Wiskundigen hebben het raadsel al opgelost over hoe de breedte van de golvende marginale zee-ijszone moet worden gedefinieerd, die zich uitstrekt van de dichte binnenkern van pakijs tot aan de buitenste randen, waar golven het drijvende ijs kunnen breken.
Court Strong, een atmosferische wetenschapper en een van Prof. Golden's collega's aan de Universiteit van Utah, liet zich inspireren door een ongebruikelijke bron: de hersenschors van de hersenen van een rat. Hij realiseerde zich dat ze dezelfde wiskundige methode konden gebruiken om de breedte van de marginale ijszone te meten als voor het meten van de dikte van de hobbelige hersenen van het knaagdier, die ook veel variatie kent. Met behulp van dit vereenvoudigde model kon het team aantonen dat de marginale ijszone met ongeveer 40% groter is geworden naarmate ons klimaat is opgewarmd.
Het ACCESS-programma van de Universiteit van Utah, inclusief praktijkgericht onderzoek, dompelt studenten onder in een interdisciplinaire omgeving waar wiskunde deel uitmaakt van een groter geheel. Het moedigt kruisbestuiving aan, waarbij methoden en ideeën uit ogenschijnlijk niet-gerelateerde wetenschapsgebieden kunnen worden gebruikt om problemen op te lossen terwijl de onderliggende wiskunde in wezen hetzelfde is.
“Als je met een ongewone situatie wordt geconfronteerd, heb je verschillende soorten geesten nodig om helder naar een probleem te kijken en met oplossingen te komen”, zegt prof. Golden.
Het verlies aan zee-ijs in het Noordpoolgebied heeft zich in slechts enkele decennia voorgedaan en gaat in een alarmerend tempo door.
“We hebben alle goede hersens en verschillende manieren van denken nodig die we kunnen krijgen, en we hebben ze snel nodig”, zegt hij.
Dit artikel is beoordeeld voor de Universiteit van Utah, National Science Foundation en Office of Naval Research door Elvis Bahati Orlendo, International Foundation for Science, Stockholm en Dr. Magdalena Stoeva, FIOMP, FIOPESM.
Lees meer over het ontsluiten van wetenschap 
Lees meer over Doe mee aan het 5e Internationale Pooljaar 
Lees meer over de oproep tot inschrijving voor de huisvesting van het IPY-5 International Coordination Office | deadline: 6 februari Lees meer over de oproep voor IPY-5 nationale comités 