Du kan forvente, at sådan en neglebidende anekdote kommer fra en opdagelsesrejsende, men Dr. Reimer er matematiker og underviser ved University of Utah, ligesom han er en del af et samfund, der har byttet hyggelige klasseværelser ud med nogle af jordens mest ugæstfrie vildmarker , i et forsøg på at bruge tal til at forstå global opvarmning.
Deres eventyr gør dem i stand til på første hånd at observere de processer, der driver forandringer i polarområderne, og validere deres matematiske teorier om havis og dens rolle som en kritisk komponent i Jordens klimasystem.
Tykkelsen og udbredelsen af havis i Arktis er faldet hurtigt, siden satellitmålinger først blev taget i 1979.
Havisen er jordens køleskab, der reflekterer sollys tilbage i rummet. Dens vedvarende tilstedeværelse er vigtig for vores planets fremtid, fordi efterhånden som mere is smelter, blotlægges mere mørkt vand, som absorberer mere sollys. Dette solvarmede vand smelter mere is i en selvforstærkende cyklus kaldet ice albedo tilbagemeldinger.
Mens havisens tilbagegang måske er en af de mest synlige store ændringer forbundet med planetarisk opvarmning på jordens overflade, er det utroligt vanskeligt at analysere, modellere og forudsige dens adfærd og responsen fra det polære system, den understøtter, men matematikere kan hjælpe.
Kenneth Golden, en fremtrædende professor i matematik og adjungeret professor i biomedicinsk teknik ved University of Utah, har bygget et unikt havisen-program over 30 år. Dens kombination af matematikforskning, klimamodellering og spændende feltekspeditioner har tiltrukket studerende og postdoktorale forskere, herunder Dr. Reimer, som er fokuseret på at bruge denne type videnskab til at hjælpe med at tackle de presserende udfordringer i et hurtigt skiftende klima.
Dr. Reimer har undersøgt, hvordan isbjørne og sæler reagerer på ændringer i deres frosne miljø. Mens hun brugte matematiske modeller til at forstå interaktionerne mellem disse væsner og deres levesteder, tog hun også målinger og prøver fra bjørne i Arktis, hvilket var noget, hun aldrig forventede at gøre som matematiker. “De sover ikke helt, når de er beroligede; de er groggy,” forklarer hun. "En af dem skræmte mig, fordi det så ud til, at den kunne vågne op på et tidspunkt."
Dr. Reimer tager målinger fra en bedøvet isbjørn i Arktis.
Deres skrumpende levested betyder, at isbjørne går på tynd is, men det er håbet, at undersøgelser som Dr. Reimers vil hjælpe eksperter med at forstå, hvordan man beskytter de majestætiske rovdyr.
Det er dog den "mind-blowing" mikroskopiske verden af bakterier og alger, der lever i saltvandslommer inde i havisen, der nu ophidser hende. Dette biologiske samfund og dets habitat er påvirket af ændringer i temperatur, saltholdighed og lys, hvilket gør det vanskeligt at modellere nøjagtigt. I sit nuværende arbejde konstruerer Dr. Reimer modeller for at forstå, hvordan disse faktorer interagerer for at bestemme biologisk aktivitet i isen. "At forstå, hvordan processer i disse små skalaer bidrager til mønstre på makroniveau, er afgørende for at modellere virkningen af et opvarmende klima på polar marin økologi," forklarer hun.
Det er udfordringen med at forstå, hvordan havisens mikroskopiske struktur påvirker adfærden af massive isflader, der interesserer professor Golden. Han har besøgt Jordens polarområder 18 gange, trodset vestenvindene kendt som "Brølende Fyrre" for at nå Antarktis med skib og undgået snævert at kaste sig ud i iskolde vand, mens han måler havisen. "En gang fik jeg besøg af en massiv hval omkring otte fod væk, som nemt kunne have brudt den tynde flage, jeg var på, med et tilfældigt svirp med halen," siger han.
Prof. Golden studerer havisens mikrostruktur for at beregne, hvor let væske kan strømme gennem den. "Havisen er salt. Den har en porøs mikrostruktur af indeslutninger af saltlage, som er meget forskellig fra ferskvandsis,« siger han.
Prof. Golden har ledet tværfaglige teams til at forudsige den kritiske temperatur, ved hvilken saltlageindeslutningerne forbinder sig, så væske kan strømme gennem havisen, og til at udvikle den første røntgentomografiteknik til at analysere, hvordan indeslutningernes geometri udvikler sig med temperaturen. "At forstå, hvordan havvand siver gennem havisen, er en af nøglerne til at fortolke, hvordan klimaændringer vil udspille sig i det polare havmiljø," forklarer han.
Opdagelsen af denne "tænd-sluk-knap" har hjulpet videnskabsmænd med bedre at forstå processer, såsom hvordan næringsstoffer, der fodrer algesamfund, der lever i saltlageindeslutningerne, genopfyldes.
Professor Golden-studier viser, hvor let væske kan strømme gennem havisen, som har en porøs mikrostruktur af saltlageindeslutninger (billedet). WF Weeks og A. Assur, CRREL (US Army Cold Regions Research and Engineering Lab) rapport 269, 1969
Saltlagen i havisen påvirker også dens radarsignatur, som påvirker satellitmålinger af parametre som istykkelse, der bruges til at validere klimamodeller. Disse modeller er vigtige, fordi de forudsiger fremtidige ændringer i vores klima og bruges af verdens ledere og videnskabsmænd til at komme med afbødningsstrategier.
Variationen af is udgør en udfordring, men mangfoldighed blandt forskere, lærere og studerende skaber det perfekte miljø for friske ideer. I USA blev kun en fjerdedel af doktorgrader i matematik og datalogi tildelt kvinder i 2015, men ordninger som University of Utahs ADGANG programmet plejer talentfulde kvindelige matematikere ved at hjælpe dem med at låse op for muligheder såsom mentorordninger og praktisk forskning. Ekspeditioner til Arktis giver ikke kun eleverne en høj oplevelse, men sikrer, at matematikere er involveret i banebrydende forskning og løsninger sammen med klimaforskere og ingeniører.
Når de ikke kæmper mod snestorme, arbejder Dr. Reimer og Prof. Golden på samarbejdende, tværfaglige projekter og er medvejledere for kvindelige bachelorstuderende som en del af ACCESS-programmet. Efter at have opfrisket matematikkomponenten i 2018 for at inkludere klimaændringer, har professor Golden set nogenlunde tredoble antallet af ACCESS-studerende, der er interesseret i at tage en matematik hovedfag eller forskerplacering end før.
Rebecca Hardenbrook, som er en af professor Goldens ph.d.-studerende, siger: “at fokusere på presserende emner som klimaforandringer tiltrækker flere af de mennesker, vi ønsker, ind i matematik, hvilket er alle, men især kvinder, farvede, queer-mennesker; nogen fra en underrepræsenteret baggrund."
Hardenbrook sluttede sig til ACCESS-programmet forud for sit første år som bachelor, og tilbragte sommeren i et astrofysisk laboratorium, hvilket åbnede hendes øjne for muligheden for at forske. "Det var virkelig livsændrende," siger hun, ikke mindst fordi hun yderligere besluttede at tage en ph.d.-grad i matematik hos Prof Golden efter at have studeret termisk transport gennem havisen som bachelor.
Rebecca Hardenbrook underviser i matematik for studerende ved University of Utah i Salt Lake City.
Hun inspirerer nu yngre elever på ACCESS-ordningen som undervisningsassistent samt modellering af smeltedamme, som er vandbassiner på den arktiske havis. Disse damme spiller en afgørende rolle i at bestemme de langsigtede smeltningshastigheder for det arktiske havis ved at absorbere solstråling i stedet for at reflektere den. Efterhånden som de vokser og går sammen, gennemgår de en overgang i fraktal geometri, hvilket effektivt skaber et uendeligt mønster, der kan modelleres af matematikere.
Hardenbrook bygger på et årtis arbejde med smeltedamme udført af professor Golden og tidligere studerende og forskere ved universitetet ved at tilpasse den klassiske Ising-model, som blev udviklet for mere end et århundrede siden og forklarer, hvordan materialer kan få eller miste magnetisme, til at modellere smeltning dam geometri. "Jeg håber at gøre modellen for havis mere fysisk præcis, så den kan sættes ind i globale klimamodeller for at skabe en mere præcis tilgang til at adressere smeltedamme, som har en overraskende effekt på albedo i Arktis," forklarer hun.
Matematikere har allerede løst gåden om, hvordan man definerer bredden af den bølgende marginale haviszone, som strækker sig fra den tætte indre kerne af pakis til yderkanterne, hvor bølger kan bryde den flydende is.
Court Strong, som er en atmosfærisk videnskabsmand og en af professor Goldens kolleger ved University of Utah, hentede inspiration fra en usædvanlig kilde: hjernebarken i en rottehjerne. Han indså, at de kunne bruge den samme matematiske metode til at måle bredden af den marginale iszone, som de gør til at måle tykkelsen af gnaverens ujævne hjerne, som også har stor variation. Ved hjælp af denne forenklede model var holdet i stand til at demonstrere, at den marginale iszone er blevet udvidet med omkring 40 %, efterhånden som vores klima er blevet varmere.
University of Utahs ACCESS-ordning, herunder dets praktiske forskning, fordyber eleverne i et tværfagligt miljø, hvor matematik er en del af et større billede. Det tilskynder til krydsbestøvning, hvor metoder og ideer fra tilsyneladende ikke-relaterede videnskabsområder kan bruges til at løse problemer, når den underliggende matematik i det væsentlige er den samme.
"Når du bliver præsenteret for en usædvanlig situation, har du brug for forskellige slags hjerner til at se klart på et problem og komme med løsninger," siger professor Golden.
Tabet af havis set i Arktis er sket over blot et par årtier og fortsætter i et alarmerende tempo.
"Vi har brug for alle de gode hjerner og forskellige måder at tænke på, som vi kan få, og vi har brug for dem hurtigt," siger han.
Denne artikel er blevet gennemgået for University of Utah, National Science Foundation og Office of Naval Research af Elvis Bahati Orlendo, International Foundation for Science, Stockholm og Dr. Magdalena Stoeva, FIOMP, FIUPESM.
Læs mere om at deltage i det 5. internationale polarår 
Læs mere om indkaldelse af tilbud til at være vært for IPY-5 International Coordination Office | frist: 6. februar Læs mere om indkaldelse af IPY-5 nationale komitéer 
