탐험가에게서 이런 놀라운 일화가 나올 것이라고 예상할 수도 있지만, 라이머 박사는 유타 대학교의 수학자이자 강사일 뿐만 아니라 아늑한 교실을 지구상에서 가장 척박한 황야로 바꾸는 커뮤니티의 일원이기도 합니다. , 지구 온난화를 이해하기 위해 숫자를 사용하려는 시도입니다.
그들의 모험을 통해 그들은 극지방의 변화를 주도하는 과정을 직접 관찰하고 해빙에 대한 수학적 이론과 지구 기후 시스템의 중요한 구성 요소로서의 역할을 검증할 수 있습니다.
북극 해빙의 두께와 범위는 위성 측정이 처음 수행된 이후 빠르게 감소했습니다. 1979.
해빙은 지구의 냉장고로, 햇빛을 다시 우주로 반사합니다. 더 많은 얼음이 녹을수록 더 많은 햇빛을 흡수하는 더 많은 어두운 물이 노출되기 때문에 그것의 지속적인 존재는 우리 행성의 미래에 중요합니다. 태양에 데워진 이 물은 얼음 알베도라는 자체 강화 주기를 통해 더 많은 얼음을 녹입니다. 피드백.
해빙 감소는 지구 표면의 행성 온난화와 관련된 가장 눈에 띄는 대규모 변화 중 하나일 수 있지만, 해빙의 행동과 그것이 지원하는 극계의 반응을 분석, 모델링 및 예측하는 것은 엄청나게 어렵지만 수학자들이 도움을 줄 수 있습니다.
유타 대학교의 저명한 수학과 교수이자 생의학 공학 부교수인 케네스 골든(Kenneth Golden)은 30년에 걸쳐 독특한 해빙 프로그램을 구축해 왔습니다. 수학 연구, 기후 모델링 및 흥미진진한 현장 탐험의 조합은 이러한 유형의 과학을 사용하여 급변하는 기후의 시급한 문제를 해결하는 데 중점을 두고 있는 Dr Reimer를 포함한 학생 및 박사후 연구원을 끌어 모았습니다.
라이머 박사는 북극곰과 바다표범이 얼어붙은 환경의 변화에 어떻게 반응하는지 연구했습니다. 그녀는 이러한 생물과 서식지 사이의 상호 작용을 이해하기 위해 수학적 모델을 사용하는 동시에 북극의 곰으로부터 측정과 샘플을 채취했는데, 이는 그녀가 수학자로서 결코 예상하지 못했던 일이었습니다. “그들은 진정되었을 때 완전히 잠든 것이 아닙니다. 그들은 엉망입니다.”라고 그녀는 설명합니다. "그들 중 한 명은 어느 시점에서 깨어날 수 있을 것 같아서 나를 놀라게 했습니다."
라이머 박사는 북극에서 진정제를 투여한 북극곰의 몸을 측정합니다.
서식지가 줄어들고 있다는 것은 북극곰이 얇은 얼음 위를 걷고 있다는 것을 의미하지만, 라이머 박사의 연구는 전문가들이 이 거대한 포식자를 보호하는 방법을 이해하는 데 도움이 되기를 바랍니다.
그러나 이제 그녀를 흥분시키는 것은 해빙 내부의 염수 주머니에 서식하는 박테리아와 조류의 “놀라운” 미세한 세계입니다. 이 생물학적 군집과 그 서식지는 온도, 염도 및 빛의 변화에 영향을 받기 때문에 정확하게 모델링하기가 어렵습니다. 현재 연구에서 Reimer 박사는 얼음 내 생물학적 활동을 결정하기 위해 이러한 요인들이 어떻게 상호 작용하는지 이해하기 위한 모델을 구축합니다. "이러한 소규모 프로세스가 거시적 수준 패턴에 어떻게 기여하는지 이해하는 것은 온난화 기후가 극지 해양 생태계에 미치는 영향을 모델링하는 데 중요합니다."라고 그녀는 설명합니다.
Golden 교수의 관심을 끄는 것은 해빙의 미세한 구조가 거대한 얼음의 행동에 어떻게 영향을 미치는지 이해하는 과제입니다. 그는 지구의 극지방을 18번 방문했으며, "광란의 XNUMX년대"라고 알려진 서풍을 이겨내고 배를 타고 남극 대륙에 도달했으며, 해빙을 측정하는 동안 얼음 바다에 뛰어드는 것을 간신히 피했습니다. “한 번은 약 XNUMX피트 떨어진 곳에 거대한 고래 한 마리가 나를 찾아왔습니다. 고래는 꼬리를 가볍게 치는 것만으로도 내가 타고 있던 얇은 얼음을 쉽게 깨뜨릴 수 있었습니다.”라고 그는 말합니다.
Golden 교수는 해빙의 미세 구조를 연구하여 액체가 해빙을 통해 얼마나 쉽게 흐를 수 있는지 계산합니다. “바다 얼음은 짠맛이 있어요. 담수 얼음과는 매우 다른 소금물 함유물의 다공성 미세 구조를 가지고 있습니다.”라고 그는 말합니다.
Golden 교수는 학제간 팀을 이끌고 염수 내포물이 연결되어 액체가 해빙을 통해 흐를 수 있는 임계 온도를 예측하고 내포물의 기하학적 구조가 온도에 따라 어떻게 변화하는지 분석하는 최초의 X선 단층 촬영 기술을 개발했습니다. “해수가 해빙을 통해 어떻게 스며드는지 이해하는 것은 극지 해양 환경에서 기후 변화가 어떻게 일어날지 해석하는 열쇠 중 하나입니다.”라고 그는 설명합니다.
이 "온-오프 스위치"를 발견함으로써 과학자들은 염수 함유물에 사는 조류 공동체에 영양분을 공급하는 방법과 같은 과정을 더 잘 이해하는 데 도움이 되었습니다.
Golden 교수의 연구에 따르면 염수 함유물이 포함된 다공성 미세 구조를 가진 해빙을 통해 유체가 얼마나 쉽게 흐를 수 있는지 보여줍니다(사진). WF Weeks 및 A. Assur, CRREL(미 육군 추운 지역 연구 및 엔지니어링 연구소) 보고서 269, 1969
해빙의 염수는 레이더 특성에도 영향을 미치며, 이는 기후 모델을 검증하는 데 사용되는 얼음 두께와 같은 매개변수의 위성 측정에 영향을 미칩니다. 이러한 모델은 기후에 대한 미래 변화를 예측하고 세계 지도자와 과학자들이 완화 전략을 마련하는 데 사용되기 때문에 중요합니다.
얼음의 종류가 다양하다는 것은 어려운 일이지만 연구자, 교사, 학생 간의 다양성은 신선한 아이디어를 위한 완벽한 환경을 조성합니다. 2015년 미국에서는 수학과 컴퓨터 과학 박사 학위 중 XNUMX분의 XNUMX만이 여성에게 수여되었습니다. 교통 안내 프로그램은 멘토링, 실습 연구 등의 기회를 제공하여 재능 있는 여성 수학자를 양성하고 있습니다. 북극 탐험은 학생들에게 높은 수준의 경험을 제공할 뿐만 아니라 수학자들이 기후 과학자 및 엔지니어와 함께 최첨단 연구 및 솔루션에 참여하도록 보장합니다.
눈보라에 맞서 싸우지 않는 시간에는 Reimer 박사와 Golden 교수가 ACCESS 프로그램의 일환으로 공동, 학제간 프로젝트를 수행하고 학부 여학생을 공동 멘토링합니다. 2018년에 기후 변화를 포함하도록 수학 구성 요소를 새로 고친 후 Golden 교수는 수학 전공이나 연구 배치에 관심이 있는 ACCESS 학생 수가 이전보다 약 XNUMX배 증가한 것을 확인했습니다.
Golden 교수의 박사 과정 학생 중 한 명인 Rebecca Hardenbrook은 다음과 같이 말합니다. “기후 변화와 같은 시급한 문제에 초점을 맞추면 우리가 원하는 더 많은 사람들이 수학에 관심을 갖게 됩니다. 수학에는 모든 사람이 포함되지만 특히 여성, 유색인종, 동성애자 등이 그렇습니다. 소외된 배경을 가진 사람이라면 누구나.”
Hardenbrook은 학부 첫 해를 앞두고 ACCESS 프로그램에 참여하여 여름을 천체물리학 실험실에서 보내며 연구 가능성에 눈을 떴습니다. 그녀는 학부 시절 해빙을 통한 열 전달을 연구한 후 Golden 교수와 함께 수학 박사 학위를 취득하기로 결정했기 때문에 “정말 인생이 바뀌었습니다.”라고 말합니다.
Rebecca Hardenbrook은 솔트레이크시티에 있는 유타 대학교에서 학생들에게 수학을 가르치고 있습니다.
그녀는 이제 조교로서 ACCESS 계획에서 어린 학생들에게 영감을 주고 북극 해빙의 물 웅덩이인 녹은 연못을 모델링합니다. 이 연못은 태양 복사를 반사하는 대신 흡수하여 북극 해빙 덮개의 장기적인 녹는 속도를 결정하는 데 결정적인 역할을 합니다. 그들이 성장하고 함께 결합함에 따라 프랙탈 기하학의 전환을 거치며 수학자들이 모델링할 수 있는 끝없는 패턴을 효과적으로 생성합니다.
Hardenbrook은 100여 년 전에 개발되었으며 재료가 자성을 얻거나 잃을 수 있는 방법을 설명하는 고전적인 Ising 모델을 적용하여 Golden 교수와 대학의 이전 학생 및 연구원들이 10년 동안 수행한 용융지 연구를 바탕으로 용융물을 모델링하고 있습니다. 연못 기하학. “저는 해빙 모델을 물리적으로 더욱 정밀하게 만들어 지구 기후 모델에 적용하여 북극의 알베도에 놀라운 영향을 미치는 용융 연못을 해결하는 보다 정확한 접근 방식을 만들 수 있기를 바랍니다.”라고 그녀는 설명합니다.
수학자들은 이미 고형 얼음의 조밀한 내부 코어부터 파도가 떠다니는 얼음을 깨뜨릴 수 있는 외부 가장자리까지 이어지는 기복이 있는 주변 해빙 구역의 폭을 정의하는 방법에 대한 수수께끼를 해결했습니다.
대기과학자이자 유타 대학교 골든 교수의 동료 중 한 명인 코트 스트롱(Court Strong)은 특이한 출처, 즉 쥐 뇌의 대뇌 피질에서 영감을 얻었습니다. 그는 설치류의 울퉁불퉁한 뇌의 두께를 측정하는 것과 동일한 수학적 방법을 사용하여 가장자리 얼음 지대의 너비를 측정할 수 있다는 것을 깨달았습니다. 이 역시 변화가 많습니다. 이 단순화된 모델의 도움으로 팀은 기후가 따뜻해짐에 따라 주변 얼음 지대가 약 40% 넓어졌다는 것을 입증할 수 있었습니다.
실습 연구를 포함한 유타 대학교의 ACCESS 계획은 수학이 더 큰 그림의 일부인 학제간 환경에 학생들을 몰입시킵니다. 이는 기본 수학이 본질적으로 동일할 때 문제를 해결하기 위해 관련이 없어 보이는 과학 분야의 방법과 아이디어를 사용할 수 있는 교차 수분을 장려합니다.
"비정상적인 상황에 직면했을 때 문제를 명확하게 보고 해결책을 찾기 위해서는 다양한 사고 방식이 필요합니다."라고 Golden 교수는 말합니다.
북극에서 볼 수 있는 해빙 손실은 불과 수십 년에 걸쳐 발생했으며 놀라운 속도로 계속되고 있습니다.
“우리는 얻을 수 있는 모든 좋은 두뇌와 다양한 사고 방식이 필요하며, 그것들이 빨리 필요합니다.”라고 그는 말합니다.
이 기사는 유타 대학교, 국립 과학 재단 및 해군 연구실을 위해 스톡홀름 국제 과학 재단의 Elvis Bahati Orlendo와 FIOMP, FIUPESM의 Magdalena Stoeva 박사가 검토했습니다.
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