ไว้วางใจนักคณิตศาสตร์เพื่อช่วยกอบกู้โลก

คุณอาจคาดหวังว่าเกร็ดเล็กเกร็ดน้อยที่ชวนตะลึงเช่นนี้จะต้องมาจากนักสำรวจ แต่ดร.ไรเมอร์เป็นนักคณิตศาสตร์และผู้บรรยายที่มหาวิทยาลัยยูทาห์ และยังเป็นส่วนหนึ่งของชุมชนที่เปลี่ยนห้องเรียนอันอบอุ่นสบายมาสู่พื้นที่ป่าที่ไม่เอื้ออำนวยมากที่สุดในโลก เพื่อใช้ตัวเลขทำความเข้าใจภาวะโลกร้อน

การผจญภัยของพวกเขาทำให้พวกเขาสามารถสังเกตกระบวนการที่ขับเคลื่อนการเปลี่ยนแปลงในบริเวณขั้วโลกได้โดยตรง และตรวจสอบทฤษฎีทางคณิตศาสตร์เกี่ยวกับน้ำแข็งในทะเลและบทบาทของมันในฐานะองค์ประกอบสำคัญในระบบภูมิอากาศของโลก

เล่นวิดีโอ

ปัญหาที่ซับซ้อน

ความหนาและขอบเขตของน้ำแข็งในทะเลในอาร์กติกลดลงอย่างรวดเร็วนับตั้งแต่มีการตรวจวัดด้วยดาวเทียมครั้งแรก 1979.

น้ำแข็งในทะเลคือตู้เย็นของโลกที่สะท้อนแสงอาทิตย์กลับคืนสู่อวกาศ การดำรงอยู่อย่างยั่งยืนเป็นสิ่งสำคัญต่ออนาคตของโลกของเรา เพราะเมื่อน้ำแข็งละลายมากขึ้น น้ำสีเข้มจะถูกเปิดเผยมากขึ้น ซึ่งดูดซับแสงแดดได้มากขึ้น น้ำอุ่นจากแสงแดดนี้จะละลายน้ำแข็งมากขึ้นในวัฏจักรเสริมแรงในตัวเองที่เรียกว่าน้ำแข็งอัลเบโด ข้อเสนอแนะ.

แม้ว่าการลดลงของน้ำแข็งในทะเลอาจเป็นหนึ่งในการเปลี่ยนแปลงขนาดใหญ่ที่เห็นได้ชัดเจนที่สุดซึ่งเชื่อมโยงกับภาวะโลกร้อนบนพื้นผิวโลก การวิเคราะห์ การสร้างแบบจำลอง และการทำนายพฤติกรรมของมันและการตอบสนองของระบบขั้วโลกที่มันรองรับนั้นเป็นเรื่องยากอย่างไม่น่าเชื่อ แต่นักคณิตศาสตร์สามารถช่วยได้

Kenneth Golden ศาสตราจารย์พิเศษด้านคณิตศาสตร์และผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมชีวการแพทย์ที่มหาวิทยาลัยยูทาห์ ได้สร้างโครงการน้ำแข็งในทะเลที่มีเอกลักษณ์เฉพาะตัวมาเป็นเวลากว่า 30 ปี การผสมผสานระหว่างการวิจัยทางคณิตศาสตร์ การสร้างแบบจำลองสภาพภูมิอากาศ และการสำรวจภาคสนามที่น่าตื่นเต้น สามารถดึงดูดนักศึกษาและนักวิจัยหลังปริญญาเอก รวมถึงดร. Reimer ที่มุ่งเน้นการใช้วิทยาศาสตร์ประเภทนี้เพื่อช่วยรับมือกับความท้าทายเร่งด่วนของสภาพภูมิอากาศที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว

การแยกตัวประกอบในสัตว์

ดร.ไรเมอร์ได้ศึกษาว่าหมีขั้วโลกและแมวน้ำตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงในสภาพแวดล้อมที่เยือกแข็งอย่างไร ขณะที่เธอใช้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์เพื่อทำความเข้าใจปฏิสัมพันธ์ระหว่างสิ่งมีชีวิตเหล่านี้กับถิ่นที่อยู่ของพวกมัน เธอยังได้ตรวจวัดและเก็บตัวอย่างจากหมีในอาร์กติก ซึ่งเป็นสิ่งที่เธอไม่เคยคาดหวังที่จะทำในฐานะนักคณิตศาสตร์ “พวกเขาไม่ได้หลับสนิทเมื่อพวกเขาสงบลง พวกเขาเมามาก” เธออธิบาย “หนึ่งในนั้นทำให้ฉันตกใจมากเพราะดูเหมือนว่ามันจะตื่นขึ้นมาได้เมื่อถึงจุดหนึ่ง”

ดร.ไรเมอร์ทำการวัดจากหมีขั้วโลกที่ถูกทำให้สงบในแถบอาร์กติก

ถิ่นที่อยู่อาศัยที่ลดลงของพวกมันหมายความว่าหมีขั้วโลกกำลังเดินบนน้ำแข็งบาง ๆ แต่หวังว่าการศึกษาเช่นดร. ไรเมอร์จะช่วยให้ผู้เชี่ยวชาญเข้าใจวิธีปกป้องสัตว์นักล่าที่ยิ่งใหญ่เหล่านี้

อย่างไรก็ตาม มันเป็นโลกกล้องจุลทรรศน์ที่ “น่าทึ่ง” ของแบคทีเรียและสาหร่ายที่อาศัยอยู่ในแอ่งน้ำเค็มภายในน้ำแข็งทะเลที่ทำให้เธอตื่นเต้นในตอนนี้ ชุมชนทางชีววิทยาและถิ่นที่อยู่ของมันได้รับอิทธิพลจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ความเค็ม และแสง ทำให้ยากต่อการสร้างแบบจำลองอย่างแม่นยำ ในงานปัจจุบันของเธอ ดร.ไรเมอร์ได้สร้างแบบจำลองเพื่อทำความเข้าใจว่าปัจจัยเหล่านี้มีปฏิกิริยาอย่างไรเพื่อกำหนดกิจกรรมทางชีวภาพภายในน้ำแข็ง “การทำความเข้าใจว่ากระบวนการต่างๆ ในระดับขนาดเล็กเหล่านี้มีส่วนทำให้เกิดรูปแบบระดับมหภาคอย่างไรนั้น มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการสร้างแบบจำลองผลกระทบของสภาพอากาศที่ร้อนขึ้นต่อระบบนิเวศทางทะเลขั้วโลก” เธออธิบาย

กระทืบตัวเลขบนน้ำแข็งเค็ม

เป็นความท้าทายในการทำความเข้าใจว่าโครงสร้างระดับจุลภาคของน้ำแข็งในทะเลส่งผลต่อพฤติกรรมของน้ำแข็งที่กว้างใหญ่ซึ่งเป็นที่สนใจของศาสตราจารย์โกลเด้นอย่างไร เขาได้ไปเยือนบริเวณขั้วโลกของโลกมาแล้ว 18 ครั้ง ฝ่าลมตะวันตกที่เรียกว่า "สี่สิบคำราม" เพื่อไปถึงแอนตาร์กติกาทางเรือ และหลีกเลี่ยงการกระโจนลงสู่ผืนน้ำแข็งอย่างหวุดหวิดขณะตรวจวัดน้ำแข็งในทะเล “ครั้งหนึ่งผมได้พบกับวาฬตัวใหญ่ที่อยู่ห่างออกไปประมาณ XNUMX ฟุต ซึ่งสามารถทำลายแผ่นบางๆ ที่ผมเกาะอยู่ได้อย่างง่ายดายด้วยการสะบัดหาง” เขากล่าว

เล่นวิดีโอ

ศาสตราจารย์โกลเด้นศึกษาโครงสร้างจุลภาคของน้ำแข็งในทะเลเพื่อคำนวณว่าของเหลวสามารถไหลผ่านได้ง่ายเพียงใด “น้ำแข็งทะเลมีรสเค็ม มันมีโครงสร้างจุลภาคที่มีรูพรุนของการรวมน้ำเกลือ ซึ่งแตกต่างจากน้ำแข็งน้ำจืดมาก” เขากล่าว

ศาสตราจารย์โกลเด้นได้นำทีมสหวิทยาการทำนายอุณหภูมิวิกฤตที่สารรวมตัวของน้ำเกลือเชื่อมต่อกัน เพื่อให้ของเหลวสามารถไหลผ่านน้ำแข็งในทะเลได้ และเพื่อพัฒนาเทคนิคเอกซเรย์เอกซ์เรย์วิธีแรกเพื่อวิเคราะห์ว่าเรขาคณิตของสารรวมนั้นวิวัฒนาการตามอุณหภูมิอย่างไร “การทำความเข้าใจว่าน้ำทะเลซึมผ่านน้ำแข็งในทะเลได้อย่างไรถือเป็นกุญแจสำคัญในการตีความว่าการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศจะเกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมทางทะเลขั้วโลกอย่างไร” เขาอธิบาย

การค้นพบ "สวิตช์เปิด-ปิด" นี้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจกระบวนการต่างๆ ได้ดียิ่งขึ้น เช่น วิธีการเติมสารอาหารที่เลี้ยงสาหร่ายที่อาศัยอยู่ในน้ำเกลือที่รวมอยู่ในนั้น

การศึกษาของศาสตราจารย์โกลเด้นแสดงให้เห็นว่าของเหลวสามารถไหลผ่านน้ำแข็งในทะเลได้อย่างง่ายดายเพียงใด ซึ่งมีโครงสร้างจุลภาคที่มีรูพรุนของน้ำเกลือ (ในภาพ) WF Weeks และ A. Assur, CRREL (ห้องปฏิบัติการวิจัยและวิศวกรรมเขตเย็นของกองทัพสหรัฐฯ) รายงาน 269, 1969

น้ำเกลือในน้ำแข็งในทะเลยังส่งผลต่อลายเซ็นเรดาร์ของมันด้วย ซึ่งส่งผลต่อการวัดค่าพารามิเตอร์ผ่านดาวเทียม เช่น ความหนาของน้ำแข็งที่ใช้ในการตรวจสอบแบบจำลองสภาพภูมิอากาศ แบบจำลองเหล่านี้มีความสำคัญเนื่องจากคาดการณ์การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศของเราในอนาคต และผู้นำและนักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกใช้เพื่อสร้างกลยุทธ์ในการบรรเทาผลกระทบ

เข้ามาจากความหนาวเย็น

ความหลากหลายของน้ำแข็งถือเป็นความท้าทาย แต่ความหลากหลายระหว่างนักวิจัย ครู และนักเรียน ทำให้เกิดสภาพแวดล้อมที่สมบูรณ์แบบสำหรับแนวคิดใหม่ๆ ในสหรัฐอเมริกา ในปี 2015 สตรีได้รับปริญญาเอกสาขาคณิตศาสตร์และวิทยาการคอมพิวเตอร์เพียงหนึ่งในสี่ แต่โครงการอื่นๆ เช่น มหาวิทยาลัยยูทาห์ การเดินทาง โปรแกรมกำลังบ่มเพาะนักคณิตศาสตร์หญิงที่มีความสามารถด้วยการช่วยให้พวกเขาปลดล็อกโอกาสต่างๆ เช่น การให้คำปรึกษาและการวิจัยภาคปฏิบัติ การสำรวจอาร์กติกไม่เพียงแต่ทำให้นักเรียนได้รับประสบการณ์ที่สูงขึ้นเท่านั้น แต่ยังช่วยให้นักคณิตศาสตร์มีส่วนร่วมในการวิจัยและการแก้ปัญหาที่ล้ำสมัย ควบคู่ไปกับนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรด้านสภาพอากาศ

เมื่อพวกเขาไม่ได้ต่อสู้กับพายุหิมะ ดร.ไรเมอร์และศาสตราจารย์โกลเด้นจะทำงานในโครงการความร่วมมือ สหวิทยาการ และที่ปรึกษาร่วมแก่นักศึกษาระดับปริญญาตรีหญิง โดยเป็นส่วนหนึ่งของโครงการ ACCESS หลังจากรีเฟรชองค์ประกอบทางคณิตศาสตร์ในปี 2018 เพื่อรวมการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ ศ.โกลเด้น พบว่ามีนักเรียน ACCESS ที่สนใจเข้าเรียนวิชาเอกคณิตศาสตร์หรืองานวิจัยมากกว่าเดิมประมาณสามเท่า

Rebecca Hardenbrook ซึ่งเป็นหนึ่งในนักศึกษาปริญญาเอกของ Professor Golden กล่าวว่า "การมุ่งเน้นไปที่ประเด็นเร่งด่วน เช่น การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ สามารถดึงดูดผู้คนที่เราต้องการเข้าสู่วิชาคณิตศาสตร์ได้มากขึ้น ซึ่งก็คือทุกคน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ผู้หญิง คนผิวสี คนเควียร์; ใครก็ตามที่มีภูมิหลังด้อยโอกาส”

การรวมทรัพยากร

Hardenbrook เข้าร่วมโครงการ ACCESS ก่อนปีแรกของเธอในฐานะนักศึกษาระดับปริญญาตรี โดยใช้เวลาช่วงฤดูร้อนในห้องทดลองดาราศาสตร์ฟิสิกส์ ซึ่งทำให้เธอมองเห็นความเป็นไปได้ในการทำวิจัย “มันเปลี่ยนแปลงชีวิตได้จริงๆ” เธอกล่าว ไม่น้อยเพราะเธอตัดสินใจเรียนต่อระดับปริญญาเอกสาขาคณิตศาสตร์กับศาสตราจารย์โกลเด้น หลังจากศึกษาการขนส่งทางความร้อนผ่านน้ำแข็งในทะเลในระดับปริญญาตรี

รีเบคก้า ฮาร์เดนบรูคสอนคณิตศาสตร์ให้กับนักศึกษาที่มหาวิทยาลัยยูทาห์ในซอลท์เลคซิตี้

ตอนนี้เธอเป็นแรงบันดาลใจให้นักเรียนรุ่นเยาว์ในโครงการ ACCESS ในฐานะผู้ช่วยสอน เช่นเดียวกับการสร้างแบบจำลองบ่อน้ำละลาย ซึ่งเป็นแอ่งน้ำบนน้ำแข็งในทะเลอาร์กติก บ่อน้ำเหล่านี้มีบทบาทสำคัญในการกำหนดอัตราการละลายในระยะยาวของน้ำแข็งปกคลุมในทะเลอาร์กติก โดยการดูดซับรังสีดวงอาทิตย์แทนที่จะสะท้อนกลับ เมื่อพวกเขาเติบโตและรวมตัวกัน พวกเขาจะมีการเปลี่ยนแปลงในเรขาคณิตแฟร็กทัล ทำให้เกิดรูปแบบที่ไม่มีที่สิ้นสุดอย่างมีประสิทธิภาพซึ่งนักคณิตศาสตร์สามารถสร้างแบบจำลองได้

Hardenbrook กำลังต่อยอดผลงานเกี่ยวกับบ่อละลายโดยศาสตราจารย์ Golden และนักศึกษาคนก่อนๆ และนักวิจัยของมหาวิทยาลัยโดยปรับใช้แบบจำลอง Ising แบบคลาสสิกซึ่งพัฒนาขึ้นเมื่อกว่าศตวรรษก่อน และอธิบายว่าวัสดุสามารถรับหรือสูญเสียพลังแม่เหล็กเพื่อสร้างแบบจำลองการละลายได้อย่างไร เรขาคณิตของบ่อ “ฉันหวังว่าจะสร้างแบบจำลองสำหรับน้ำแข็งในทะเลให้มีความแม่นยำทางกายภาพมากขึ้น เพื่อนำไปใส่ในแบบจำลองสภาพภูมิอากาศโลก เพื่อสร้างแนวทางที่แม่นยำยิ่งขึ้นในการจัดการกับบ่อน้ำที่ละลาย ซึ่งส่งผลกระทบที่น่าประหลาดใจต่ออัลเบโด้ของอาร์กติก” เธออธิบาย

เพิ่มเข้าไปในภาพใหญ่

นักคณิตศาสตร์ได้ไขปริศนาเกี่ยวกับวิธีการกำหนดความกว้างของเขตน้ำแข็งในทะเลชายขอบที่เป็นลูกคลื่น ซึ่งขยายจากแกนกลางหนาทึบของก้อนน้ำแข็งไปจนถึงขอบด้านนอก ซึ่งคลื่นสามารถทำลายน้ำแข็งที่ลอยอยู่ได้

Court Strong ซึ่งเป็นนักวิทยาศาสตร์ด้านบรรยากาศและเป็นหนึ่งในเพื่อนร่วมงานของ Prof Golden ที่มหาวิทยาลัย Utah ได้รับแรงบันดาลใจจากแหล่งที่ไม่ธรรมดา นั่นก็คือ เปลือกสมองของสมองหนู เขาตระหนักว่าพวกเขาสามารถใช้วิธีการทางคณิตศาสตร์แบบเดียวกันในการวัดความกว้างของบริเวณขอบน้ำแข็งได้ เช่นเดียวกับการวัดความหนาของสมองที่เป็นหลุมเป็นบ่อของสัตว์ฟันแทะ ซึ่งมีความหลากหลายเช่นกัน ด้วยความช่วยเหลือของแบบจำลองที่เรียบง่ายนี้ ทีมงานสามารถแสดงให้เห็นว่าเขตน้ำแข็งชายขอบได้กว้างขึ้นประมาณ 40% เมื่อสภาพอากาศของเราอุ่นขึ้น

โครงการ ACCESS ของมหาวิทยาลัย Utah รวมถึงการวิจัยภาคปฏิบัติ ช่วยให้นักศึกษาได้ดื่มด่ำในสภาพแวดล้อมแบบสหวิทยาการที่คณิตศาสตร์เป็นส่วนหนึ่งของภาพรวม โดยส่งเสริมให้มีการผสมเกสรข้าม โดยที่วิธีการและแนวคิดจากสาขาวิทยาศาสตร์ที่ดูเหมือนจะไม่เกี่ยวข้องกันสามารถนำมาใช้ในการแก้ปัญหาได้ เมื่อคณิตศาสตร์พื้นฐานมีความเหมือนกัน

“เมื่อคุณเผชิญกับสถานการณ์ที่ไม่ปกติ คุณจำเป็นต้องมีความคิดที่แตกต่างกันเพื่อมองปัญหาอย่างชัดเจนและหาทางแก้ไข” ศาสตราจารย์โกลเด้นกล่าว

การสูญเสียน้ำแข็งในทะเลที่พบในอาร์กติกเกิดขึ้นในช่วงไม่กี่ทศวรรษและยังคงดำเนินต่อไปอย่างน่าตกใจ

“เราต้องการสมองที่ดีและวิธีคิดที่แตกต่างกันที่เราสามารถทำได้ และเราต้องการมันอย่างรวดเร็ว” เขากล่าว

บทความนี้ได้รับการตรวจสอบสำหรับมหาวิทยาลัยยูทาห์ มูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ และสำนักงานวิจัยกองทัพเรือ โดย Elvis Bahati Orlendo มูลนิธิวิทยาศาสตร์นานาชาติ สตอกโฮล์ม และ Dr Magdalena Stoeva, FIOMP, FIUPESM