روی ریاضیدانان برای کمک به نجات سیاره حساب می کنیم

شما ممکن است انتظار داشته باشید که چنین حکایت ناخن جویدنی از یک کاشف باشد، اما دکتر رایمر یک ریاضیدان و مدرس در دانشگاه یوتا است، و همچنین بخشی از جامعه ای است که کلاس های درس دنج را با برخی از غیر مهمان نوازترین مناطق وحشی زمین عوض کرده است. ، در تلاش برای استفاده از اعداد برای درک گرمایش جهانی.

ماجراجویی‌های آن‌ها آن‌ها را قادر می‌سازد تا از طریق دست اول فرآیندهایی را که باعث تغییر در نواحی قطبی می‌شوند مشاهده کنند و نظریه‌های ریاضی خود را در مورد یخ دریا و نقش آن به‌عنوان یک جزء حیاتی در سیستم آب و هوای زمین تأیید کنند.

پخش فیلم

یک مشکل پیچیده

ضخامت و وسعت یخ دریا در قطب شمال از زمانی که برای اولین بار اندازه گیری های ماهواره ای انجام شد، به سرعت کاهش یافته است 1979.

یخ دریا یخچال زمین است که نور خورشید را به فضا منعکس می کند. حضور پایدار آن برای آینده سیاره ما مهم است زیرا با ذوب شدن یخ بیشتر، آب تیره بیشتری در معرض دید قرار می گیرد که نور خورشید بیشتری را جذب می کند. این آب گرم شده توسط خورشید یخ های بیشتری را در یک چرخه خودتقویت کننده به نام یخ آلبیدو ذوب می کند. باز خورد.

در حالی که کاهش یخ دریا شاید یکی از قابل مشاهده ترین تغییرات در مقیاس بزرگ مرتبط با گرم شدن سیاره در سطح زمین باشد، تجزیه و تحلیل، مدل سازی و پیش بینی رفتار آن و پاسخ منظومه قطبی که از آن پشتیبانی می کند فوق العاده دشوار است، اما ریاضیدانان می توانند کمک کنند.

کنت گلدن، استاد برجسته ریاضیات و استاد کمکی مهندسی زیست پزشکی در دانشگاه یوتا، در طول 30 سال یک برنامه منحصر به فرد یخ دریا ساخته است. ترکیبی از تحقیقات ریاضی، مدل‌سازی آب و هوا و سفرهای میدانی هیجان‌انگیز، دانشجویان و محققان فوق‌دکتری، از جمله دکتر رایمر را به خود جذب کرده است که بر استفاده از این نوع علم برای کمک به مقابله با چالش‌های فوری یک آب و هوای به سرعت در حال تغییر تمرکز دارند.

فاکتورسازی در حیوانات

دکتر ریمر بررسی کرده است که خرس‌ها و فوک‌های قطبی چگونه به تغییرات محیط یخ زده خود واکنش نشان می‌دهند. در حالی که او از مدل‌های ریاضی برای درک تعاملات بین این موجودات و زیستگاه آنها استفاده می‌کرد، از خرس‌های قطب شمال نیز اندازه‌گیری و نمونه‌برداری کرد، کاری که او هرگز به عنوان یک ریاضیدان انتظار انجام آن را نداشت. وقتی آرام هستند کاملاً نمی‌خوابند. او توضیح می دهد که آنها گیج هستند. "یکی از آنها من را عصبانی کرد زیرا به نظر می رسید ممکن است در نقطه ای از خواب بیدار شود."

دکتر ریمر از یک خرس قطبی آرام بخش در قطب شمال اندازه گیری می کند.

کوچک شدن زیستگاه آنها به این معنی است که خرس های قطبی روی یخ های نازک راه می روند، اما امید است که مطالعاتی مانند دکتر رایمر به متخصصان کمک کند تا چگونگی محافظت از شکارچیان باشکوه را درک کنند.

با این حال، این دنیای میکروسکوپی «ذهن‌افکن» از باکتری‌ها و جلبک‌هایی است که در جیب‌های آب شور درون یخ‌های دریا زندگی می‌کنند که اکنون او را به هیجان می‌آورد. این جامعه بیولوژیکی و زیستگاه آن تحت تأثیر تغییرات دما، شوری و نور است و مدل سازی دقیق آن را دشوار می کند. دکتر رایمر در کار فعلی خود مدل هایی را برای درک چگونگی تعامل این عوامل برای تعیین فعالیت بیولوژیکی درون یخ می سازد. او توضیح می‌دهد: «درک اینکه چگونه فرآیندها در این مقیاس‌های کوچک به الگوهای سطح کلان کمک می‌کنند برای مدل‌سازی تأثیر گرم شدن آب و هوا بر اکولوژی دریایی قطبی حیاتی است.

خرد کردن اعداد روی یخ شور

این چالش درک چگونگی تأثیر ساختار میکروسکوپی یخ دریا بر رفتار گستره های عظیم یخی است که به پروفسور گلدن علاقه مند است. او 18 بار از نواحی قطبی زمین بازدید کرده است، با شهامت بادهای غربی معروف به "چهل‌های خروشان" تا با کشتی به قطب جنوب برسد و در حین اندازه‌گیری یخ دریا به سختی از فرو رفتن در آب‌های یخی اجتناب کرده است. او می‌گوید: «یک بار نهنگ عظیمی در حدود هشت فوت دورتر از من دیدن کرد، که به راحتی می‌توانست با تکان دادن دم خود، نهنگ نازکی را که روی آن بودم بشکند».

پخش فیلم

پروفسور گلدن ریزساختار یخ دریا را مطالعه می کند تا محاسبه کند که مایع به راحتی می تواند در آن جریان یابد. «یخ دریا شور است. این ریزساختار متخلخل از اجزای آب نمک دارد که بسیار متفاوت از یخ آب شیرین است.

پروفسور گلدن تیم‌های بین‌رشته‌ای را هدایت کرده است تا دمای بحرانی را پیش‌بینی کنند که در آن اجزای آب نمک به هم متصل می‌شوند تا مایع بتواند از میان یخ‌های دریا جریان یابد و اولین تکنیک توموگرافی اشعه ایکس را برای تجزیه و تحلیل چگونگی تکامل هندسه آخال‌ها با دما توسعه دهند. او توضیح می دهد: "درک چگونگی نفوذ آب دریا از طریق یخ دریا یکی از کلیدهای تفسیر چگونگی تغییر آب و هوا در محیط دریایی قطبی است."

کشف این کلید روشن-خاموش به دانشمندان کمک کرد تا فرآیندهایی مانند نحوه پر کردن مواد مغذی که جوامع جلبکی را که در آب نمک زندگی می کنند را تغذیه کنند، درک کنند.

مطالعات پروفسور گلدن نشان می دهد که چگونه مایع می تواند به راحتی از میان یخ دریا که دارای ریزساختار متخلخلی از آب نمک است (تصویر) جریان یابد. WF Weeks و A. Assur، CRREL (آزمایشگاه تحقیقاتی و مهندسی مناطق سرد ارتش ایالات متحده) گزارش 269، 1969

آب نمک موجود در یخ دریا بر امضای رادار آن نیز تأثیر می‌گذارد، که بر اندازه‌گیری‌های ماهواره‌ای پارامترهایی مانند ضخامت یخ که برای اعتبارسنجی مدل‌های آب و هوایی استفاده می‌شود، تأثیر می‌گذارد. این مدل‌ها به این دلیل مهم هستند که تغییرات آتی را در آب و هوای ما پیش‌بینی می‌کنند و توسط رهبران و دانشمندان جهان برای ارائه استراتژی‌های کاهش استفاده می‌شوند.

از سرما اومدن

تنوع یخ چالش برانگیز است، اما تنوع در میان محققان، معلمان و دانش آموزان، محیط مناسبی را برای ایده های تازه ایجاد می کند. در ایالات متحده، تنها یک چهارم مدارک دکتری در ریاضیات و علوم کامپیوتر در سال 2015 به زنان اعطا شد، اما طرح هایی مانند دانشگاه یوتا ACCESS برنامه در حال پرورش ریاضیدانان زن با استعداد با کمک به آنها برای باز کردن فرصت هایی مانند مشاوره و تحقیقات عملی است. اکتشافات به قطب شمال نه تنها به دانش آموزان تجربه ای عالی می دهد، بلکه اطمینان می دهد که ریاضیدانان در تحقیقات و راه حل های پیشرفته در کنار دانشمندان و مهندسان آب و هوا مشارکت دارند.

زمانی که آنها با کولاک مبارزه نمی کنند، دکتر رایمر و پروفسور گلدن روی پروژه های مشترک، بین رشته ای کار می کنند و به عنوان بخشی از برنامه ACCESS، دانشجویان دختر مقطع کارشناسی را راهنمایی می کنند. پس از تازه کردن مؤلفه ریاضیات در سال 2018 و شامل تغییرات آب و هوا، پروفسور گلدن تقریباً سه برابر تعداد دانش آموزان ACCESS علاقه مند به شرکت در یک رشته ریاضی یا موقعیت تحقیقاتی را نسبت به قبل دیده است.

ربکا هاردنبروک، که یکی از دانشجویان دکترای پروفسور گلدن است، می‌گوید: «تمرکز بر مسائل مبرمی مانند تغییرات آب و هوایی، بیشتر افرادی را که می‌خواهیم در ریاضیات جذب کنیم، به ویژه زنان، رنگین‌پوستان، افراد عجیب و غریب. هر کسی با پیشینه ای که نمایندگی کمتری دارد.»

ادغام منابع

هاردنبروک قبل از اولین سال تحصیلی خود در مقطع لیسانس به برنامه ACCESS پیوست و تابستان را در یک آزمایشگاه اخترفیزیک گذراند که چشمان او را به امکان انجام تحقیقات باز کرد. او می‌گوید: «این واقعاً زندگی را تغییر می‌داد، نه تنها به این دلیل که تصمیم گرفت پس از تحصیل در رشته حمل‌ونقل حرارتی از طریق یخ دریا در مقطع کارشناسی، دکترای ریاضیات را نزد پروفسور گلدن ادامه دهد.

ربکا هاردنبروک در دانشگاه یوتا در سالت لیک سیتی به دانشجویان ریاضی درس می دهد.

او اکنون به دانش‌آموزان جوان‌تر در طرح ACCESS به عنوان دستیار آموزشی و همچنین مدل‌سازی حوضچه‌های مذاب، که حوضچه‌های آب روی یخ‌های دریای قطب شمال هستند، الهام می‌دهد. این حوضچه ها با جذب تشعشعات خورشیدی به جای بازتابش، نقش تعیین کننده ای در تعیین نرخ ذوب طولانی مدت پوشش یخ دریای قطب شمال دارند. همانطور که آنها رشد می کنند و به یکدیگر می پیوندند، در هندسه فراکتال تغییر می کنند و در واقع یک الگوی بی پایان ایجاد می کنند که می تواند توسط ریاضیدانان مدل شود.

هاردنبروک بر اساس یک دهه کار پروفسور گلدن و دانشجویان و محققان قبلی در دانشگاه بر روی حوضچه های مذاب با انطباق مدل کلاسیک ایزینگ، که بیش از یک قرن پیش توسعه یافت و توضیح می دهد که چگونه مواد می توانند مغناطیس را بدست آورند یا از دست بدهند، برای مدل سازی مذاب ساخته شده است. هندسه حوضچه او توضیح می‌دهد: «امیدوارم بتوانم مدل یخ دریا را از نظر فیزیکی دقیق‌تر کنم تا بتوان آن را در مدل‌های آب و هوای جهانی قرار داد تا رویکرد دقیق‌تری برای رسیدگی به حوضچه‌های مذاب ایجاد کند، که تأثیر شگفت‌انگیزی بر آلبدوی قطب شمال دارد.

اضافه کردن به تصویر بزرگ

ریاضیدانان قبلاً معمای چگونگی تعریف پهنای ناحیه یخی حاشیه‌ای موج‌دار دریا را حل کرده‌اند که از هسته متراکم داخلی یخ بسته به حاشیه‌های بیرونی امتداد می‌یابد، جایی که امواج می‌توانند یخ شناور را بشکنند.

کورت استرانگ که یک دانشمند جو و یکی از همکاران پروفسور گلدن در دانشگاه یوتا است، از یک منبع غیرمعمول الهام گرفت: قشر مغزی مغز موش. او متوجه شد که آنها می‌توانند از همان روش ریاضی برای اندازه‌گیری پهنای ناحیه یخ حاشیه‌ای استفاده کنند که برای اندازه‌گیری ضخامت مغز پر از دست‌انداز جوندگان، که همچنین دارای تغییرات زیادی است، استفاده می‌کنند. با کمک این مدل ساده شده، تیم توانست نشان دهد که با گرم شدن آب و هوا، منطقه یخی حاشیه ای حدود 40 درصد گسترش یافته است.

طرح دسترسی دانشگاه یوتا، از جمله تحقیقات عملی آن، دانشجویان را در محیطی بین رشته ای غوطه ور می کند که در آن ریاضیات بخشی از تصویر بزرگتر است. این گرده افشانی متقابل را تشویق می کند، جایی که روش ها و ایده های حوزه های به ظاهر نامرتبط علم را می توان برای حل مسائل استفاده کرد، در حالی که ریاضیات اساسی اساساً یکسان است.

پروفسور گلدن می‌گوید: «وقتی با یک موقعیت غیرعادی مواجه می‌شوید، به ذهن‌های مختلفی نیاز دارید تا به وضوح به یک مشکل نگاه کنید و راه‌حل‌هایی برای آن پیدا کنید.

از بین رفتن یخ های دریا که در قطب شمال دیده می شود تنها طی چند دهه اتفاق افتاده است و با سرعت نگران کننده ای ادامه دارد.

او می‌گوید: «ما به تمام مغزهای خوب و روش‌های مختلف تفکری نیاز داریم که می‌توانیم به دست آوریم، و به سرعت به آنها نیاز داریم.

این مقاله برای دانشگاه یوتا، بنیاد ملی علوم و دفتر تحقیقات نیروی دریایی توسط الویس بااتی اورلندو، بنیاد بین‌المللی علوم، استکهلم و دکتر ماگدالنا استووا، FIOMP، FIUPESM بررسی شده است.